COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS …§ão_Aline... · Prof.ª Dr. Marcos Marques da...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM
AGREGADO SINTERIZADO DE ARGILA MODIFICADAS POR
NANOMATERIAL DE MULTICAMADAS DE GRAFENO
ALINE MAGALHÃES CABRAL
MANAUS
2017
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ALINE MAGALHÃES CABRAL
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM
AGREGADO SINTERIZADO DE ARGILA MODIFICADAS POR
NANOMATERIAL DE MULTICAMADAS DE GRAFENO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Hidembergue Ordozgoith da Frota
MANAUS
2017
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ALINE MAGALHÃES CABRAL
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM
AGREGADO SINTERIZADO DE ARGILA MODIFICADAS POR
NANOMATERIAL DE MULTICAMADAS DE GRAFENO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.
Aprovada em: ___/___/___
BANCA EXAMINADORA
________________________________________
Prof. Dr. Hidembergue Ordozgoith da Frota (Orientador)
Universidade Federal do Amazonas
________________________________________
Prof.ª Dr. Marcos Marques da Silva Paula
Universidade Federal do Amazonas
________________________________________
Prof. Dr. Estevão Monteiro de Paula
Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia
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DEDICATÓRIA
A Deus, o maior de todos! Dedico o
trabalho também a minha avó, Helena (in
memoriam), aos meus pais, Neide e
Antonio Neto, minha irmã, Alaíse e
principalmente ao meu marido, Raimundo
Netto, pelos incentivos e principalmente
pelo amor.
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AGRADECIMENTOS
Prioritariamente gostaria de agradecer a Deus, inteligência suprema, causa
primeira de todas as coisas. Por sempre estar presente na minha vida, nos
momentos de felicidade e de tristeza, sempre me guiando pelo melhor caminho. Se
hoje posso regozijar-me com essa vitória e por tantas outras, devo ser muito grata
por Ele ter sempre agido muito bem na minha vida, auxiliando-me nas minhas
decisões mais difíceis.
Ao meu marido, Raimundo Netto, devo muito por esse momento tão feliz, pois
foi o idealizador, influenciador e maior apoiador desse longo processo do Mestrado.
Talvez se não fosse o seu incentivo, jamais buscaria por esse título, mas ele foi
persistente, sempre com muito amor, carinho e persuasão acabou me convencendo
que esse seria um grande passo na minha vida profissional, algo que estava
totalmente certo. Meu amor, obrigada pela ajuda no laboratório, nos finais de
semana, feriados, madrugadas, pelo esforço em sempre me auxiliar nessa missão
que mesmo sendo tão importante, não tem sido fácil. Sou muito grata por todo o
esforço que você fez durante toda essa nossa caminhada em um novo estado,
diferente dos nossos de origem, em busca de novas oportunidades e crescimento
profissional, para que pudéssemos ser muito felizes juntos.
A minha mãe, Neide, pai, Antônio Neto, irmã Alaíse, tio Nilton, padrinho
Neivan sou grata pela confiança e orgulho que sempre depositaram em mim.
Sentimentos pelos quais sempre me fizeram lutar cada vez mais em busca dos
meus objetivos, mesmo quando o coração apertava, a saudade mais ainda e a
vontade de fraquejar era quase inevitável. Os momentos difíceis foram muitos, longe
de todos, com uma mudança radical na vida, não apenas geográfica, mas acima de
tudo, na vida profissional. Mas a sensação de proporcionar à minha família orgulho,
por estar buscando um título tão importante, só me deixava mais e mais forte.
Família, obrigada pelas boas vibrações!
Não poderia deixar de agradecer com todo o meu coração à minha família
manaura, Cláudia Barbosa, minha grande amiga, mãe e irmã que conquistei pelas
bandas daqui, tão longe da minha cidade natal, mas que me deu um suporte que
jamais poderia imaginar receber de alguém. Auxiliou-me nos ensaios, nas dicas, me
ensinou boa parte do que sei hoje do laboratório de Pavimentação Asfáltica. Muito
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obrigada, Cláudia, você é muito importante nessa conquista! Dessa família manaura,
há ainda a Profa. Consuelo Frota que me acolheu como se eu fosse uma filha,
prestando-me todo o auxílio necessário para o andamento da pesquisa e
principalmente o carinho, a preocupação, nos momentos que mais precisei,
juntamente com o meu orientador, Prof. Hidembergue Frota, mostram-se
educadores exemplo que eu jamais poderia imaginar existir. Sou muito grata aos
senhores, Profa. Consuelo Frota e Prof. Hidembergue Frota!
É meu desejo também agradecer a todos os membros do Grupo de Pesquisa
do GEOTEC, principalmente ao Cláudio de Paula, por ter me prestado auxilio em
diversas situações, no laboratório, nas disciplinas, não tenho palavras para
demonstrar a minha gratidão a você. Ao aluno Roberto Rosselini também sou grata
pela disponibilidade em ajudar sempre que possível e a todos os demais membros
do grupo pela união e a presteza. Além disso, gostaria de agradecer à funcionária do
GEOTEC Rose, pela delicadeza e disponibilidade em sempre ajudar. Obrigada
GEOTEC!
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RESUMO
Estudou-se o comportamento mecânico de misturas asfálticas do tipo
Concreto Asfáltico (CA), com o emprego de Agregado Sinterizado de Argila
Calcinada (ASAC) como agregado graúdo, modificada por nanomaterial de
multicamadas de grafeno, e o efeito do envelhecimento das amostras no
desempenho mecânico. Teve-se como intuito a análise da performance mecânica
desse agregado alternativo, o impacto da adição do nanomaterial de multicamadas
de grafeno nas misturas asfálticas a serem utilizadas em obras de pavimentação
asfáltica no Município de Manaus, e também demonstrar a importância do
envelhecimento nesse processo. Participaram desse compósito asfáltico, o ligante
asfáltico 50/70, comercializado na Região Amazônica, a areia Manaus, como
agregado miúdo, e o cimento Portland, utilizado como filer. Todos esses materiais
foram caracterizados fisicamente, com as dosagens estabelecidas de acordo com a
SUPERPAVE. Foram analisados os seguintes materiais: 1) mistura referência (sem
utilização de multicamadas de grafeno e envelhecida); 2) mistura com multicamadas
de grafeno envelhecida; 3) mistura sem as multicamadas de grafeno e não
envelhecida. Determinou-se o desempenho mecânico desses compósitos de acordo
com os ensaios de Resistência à Tração por Compressão Diametral (RT) e Módulo
de Resiliência (MR). Nos testes de RT os corpos de prova dos três tipos de misturas
foram submetidos às temperaturas de 25°C, 40°C e 60°C. Para o caso do MR, em
particular, estudou-se o comportamento mecânico às temperaturas de 25°C e 40°C.
Os resultados mostraram que no ensaio de Resistência à Tração, houve incremento
nos valores de RT com a adição do grafeno nas temperaturas de 25°C e 40°C. No
que concerne a mistura de referência, os valores obtidos de RT superam o mínimo
estabelecido por norma e a mistura não envelhecida não obteve resultados dentro
do mínimo necessário. Desse modo, os compósitos envelhecidos (referência e
grafeno) atendem às exigências técnicas, notando-se aumento do desempenho
mecânico com a adição das multicamadas de grafeno às misturas envelhecidas,
cerca de 9,8% a 25°C e 8,1% a 40°C. O envelhecimento confere às misturas 63% de
aumento da RT em relação às não envelhecidas à 25°C, 97% à 40°C e 50% a 60°C.
No tocante ao Módulo de Resiliência, os ensaios demonstraram que houve
incremento nos seus valores para mistura com a adição do nanomaterial grafeno e
para as três misturas há manutenção de valores, com a variação da porcentagem da
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RT, o que significa que todos os compósitos estudados são pouco susceptíveis à
variação da temperatura, com resistência mecânica satisfatória.Verifica-se que o
agregado ASAC possui viabilidade técnica para ser empregado na pavimentação
asfáltica, que o nanomaterial de multicamadas de grafeno mostra-se como material
modificador promissor nesse ramo e que o processo de envelhecimento é essencial
na execução das misturas asfálticas.
Palavras-chave: Agregado Sinterizado de Argila Calcinada, Multicamadas de
Grafeno, Envelhecimento, Resistência à Tração por Compressão Diametral, Módulo
de Resiliência.
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ABSTRACT
The mechanical behavior of asphalt mixtures of the Asphalt Concrete (CA) type was
studied with the use of Calcined Clay Sintered Aggregate (ASAC), as a coarse
aggregate, modified by graphene multilayer nanomaterial, and the effect of the
samples aging on the mechanical performance. The purpose of this study was to
analyze the mechanical performance of this alternative aggregate, the impact of the
addition of graphene multilayer nanomaterials in the asphalt mixtures to be used in
asphalt paving works in the city of Manaus, and also to demonstrate the importance
of the aging in this process. In the composition of the CA were used the 50/70
asphalt binder, commercialized in the Amazon Region, the Manaus, sand as a fine
aggregate, and the Portland cement, as the filer. All of these materials were
physically characterized according to SUPERPAVE. The following materials were
analyzed: 1) the reference mixture (without use of graphene multilayers and aged); 2)
mixture with graphene multilayers aged, and 3) mixture without the graphene
multilayers and unaged. It was determined the mechanical performance of these
composites according to the Diametral Compressive Tensile Strength (RT) and
Resilience Modulus (MR) tests. In the RT tests, the specimens of the three types of
mixtures were subjected to temperatures of 25 °C, 40 °C and 60 °C. For MR, in
particular, the mechanical behavior was studied at temperatures of 25 °C and 40 °C.
The results showed that in the tensile strength test, there was an increase in RT
values with the addition of graphene at temperatures of 25 ° C and 40 ° C. As far as
the reference mixture is concerned, the values obtained from RT exceed the
minimum set by the standard, and the unaged mixture did not obtain that minimum.
Thus, the aged composites (reference material and graphene) meet the technical
requirements, with increasing the mechanical performance with the addition of
graphene multilayers to the aged blends, about 9.8% at 25 ° C and 8.1% at 40 ° C.
Aging gives mixtures a 63% increase in RT compared to the unripe at 25 ° C, 97% at
40 ° C and 50% at 60 ° C. Regarding the Resilience Modulus, the tests showed that
there was an increase in MR values, in the mixture with the addition of graphene
nanomaterial and, for the three mixtures, there is maintenance of values, with the
variation of the percentage of RT, which means that all composites studied are not
very susceptible to temperature variation, with satisfactory mechanical resistance. It
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is demonstrated, therefore, that the ASAC aggregate has technical feasibility to be
used in asphalt paving, that the multilayer nanomaterial of graphene shows itself as
promising modifying material in this field, and that the aging process is essential in
the execution of the asphalt mixtures.
Keywords: Sintered Aggregate of Calcined Clay, Graphene Multilayer, Aging,
Tensile Strength by Diametral Compression, Resilience Module.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Manaquiri/ AM- BR 174
Figura 2: BR 319
Figura 3: Classificação dos estados dos trechos no Estado do Amazonas
Figura 4: Representação em escala de nanopartículas
Figura 5: Nanotubos de carbono
Figura 6: Iustração do grafeno
Figura 7: Ilustração da evolução de dimensões diferentes de asfalto
Figura 8: Representação de Nanoplaqueta de grafeno (GNP):
Figura 9: Estrutura Típica do pavimento flexível
Figura 10: Pontos de Controle para seleção granulométrica Superpave TMN 12,5mm
Figura 11: Fluxograma da Metodologia
Figura 12: CAP 50/70 em aquecimento
Figura 13: Amostra SUC
Figura 14: Inserção da Amostra em silo com auxílio de pá carregadeira (Esquerda) /
Amostra sendo introduzida no triturador (Direita)
Figura 15: Secagem dos tijolos em sistema de túnel (direita) / ASAC obtido após
britagem (esquerda)
Figura 16: Agregado ASAC antes do fracionamento
Figura 17: Agregado ASAC SUC (Após o fracionamento)
Figura 18: Areia Manaus
Figura 19: Moinho de alta energia
Figura 20: Grafite antes da moagem
Figura 21: Grafite após 4h de moagem
Figura 22: Preparo Corpo de Prova de Concreto Asfáltico com ASAC
Figura 23: Compactador Giratório SUPERPAVE
Figura 24: Ensaio de Resistência à Tração na UTM 14
Figura 25: Fluxograma adotado para o ensaio de Resistência à Tração
Figura 26: Ensaio de Módulo de Resiliência na UTM 14
Figura 27: Fluxograma adotado para o ensaio de Módulo de Resiliência
11
Figura 28: Ensaio de Penetração
Figura 29: Difratograma Nanomaterial de multicamadas de grafeno
Figura 30: Difratograma diversos tipos de moagem
Figura 31: Curva Granulométrica da Mistura com ASAC
Figura 32: Ensaio de Módulo de Resiliência à 40°C (Esquerda) / Aferição de
temperatura após ensaio de Resistência à Tração à 40ºC (Direita)
Figura 33: Ensaio de Resistência à Tração à 60°C (Esquerda) / Após ensaio de
Resistência à Tração à 60°C
Figura 34: Gráfico de Resistência à Tração (Amostra de Referência e Amostra
Grafeno)
Figura 35: Gráfico de Acréscimo de Resistência à Tração com a adição de
Nanomaterial Grafeno
Figura 36: Gráfico de Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura
(Amostra de Referência e Amostra Grafeno)
Figura 37: Gráfico comparativo de Resistência à Tração (Mistura Referência e
Modificada com ASAC e CA convencional com MMT em diversas porcentagens)
Figura 38: Gráfico Resistência à Tração (Amostra não envelhecida e Amostra de
referência)
Figura 39: Gráfico Acréscimo de Resistência à Tração com o envelhecimento
Figura 40: Gráfico de Decréscimo de Resistência à Tração com a temperatura
Figura 41: Gráfico Comparativo de Resistência à Tração de Bibliografias Estudadas
Figura 42: Gráfico do Módulo de Resiliência do CA da amostra de referência
Figura 43: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra de referência (10% da RT,
20% da RT, 30% da RT)
Figura 44: Gráfico do Decréscimo do Módulo de Resiliência com a temperatura da
amostra de referência
Figura 45: Gráfico do Módulo de Resiliência do CA da amostra grafeno
Figura 46: Gráfico do Módulo de Resiliência do CA da amostra grafeno (10% da RT,
20% da RT, 30% da RT)
Figura 47: Gráfico do Decréscimo do Módulo de Resiliência com a temperatura da
amostra de referência e a grafeno
Figura 48: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra de referência (10% da RT,
20% da RT, 30% da RT) e da amostra grafeno nas temperaturas de 25°C e 40°C
Figura 49: Gráfico do Módulo de Resiliência do CA da amostra não envelhecida
12
Figura 50: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra não envelhecida (10% da
RT, 20% da RT, 30% da RT
Figura 51: Gráfico do Decréscimo do Módulo de Resiliência com a temperatura da
amostra não envelhecida
Figura 52: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra de referência (10% da RT,
20% da RT, 30% da RT) e da amostra não envelhecida nas temperaturas de 25°C e
40°C
Figura 53: Gráfico Comparativo do Módulo de Resiliência de Bibliografias Estudadas
(30% da RT)
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Classificação do Pavimento
Tabela 2: Classificação das características avaliadas em km do estado do Amazonas
Tabela 3: Composição da Faixa Granulométrica Superpave TMN 12.5 mm
Tabela 4: Número de Girosx tráfego (ASTM D 6925)
Tabela 5: Parâmetros para dosagem Superpave
Tabela 6: Especificação dos Protocolos para ensaio de Módulo de Resiliência
Tabela 7: Especificação Brasileira CAP (DNIT 095/2006- EM)
Tabela 8: Caracterização do Ligante Asfáltico
Tabela 9: Viscosidades e Parâmetros (após Envelhecimento) do Ligante Asfáltico
Tabela 10: Caracterização Física dos Agregados
Tabela 11: Distribuição Granulométrica Agregado Graúdo (ASAC) e Agregado Miúdo
(Areia Manaus)
Tabela 12: Especificação Material de Enchimento
Tabela 13: Distribuição Granulométrica do ASAC fracionado
Tabela 14: Distribuição Granulométrica do ASAC fracionado nas misturas
Tabela 15: Roteiro para obtenção do teor de projeto
Tabela 16: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 1 de cada mistura
Tabela 17: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 2 de cada mistura
Tabela 18: Avaliação dos parâmetros obtidos nos teores de ligante iniciais
Tabela 19: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 1 da mistura 2
Tabela 20: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 2 da mistura 2
Tabela 21: Avaliação dos parâmetros obtidos nos teores de ligante iniciais
Tabela 22: Distribuição Granulométrica Mistura com ASAC
Tabela 23: Acréscimo de Resistência à Tração com a adição de nanomaterial
grafeno
Tabela 24: Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura (Mistura de
Referência e Mistura Grafeno)
Tabela 25: Acréscimo de Resistência à Tração com o Envelhecimento
Tabela 26: Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura
14
Tabela 27: Influência da temperatura no Módulo de Resiliência da amostra de
referência
Tabela 28: Influência da temperatura no Módulo de Resiliência da amostra grafeno
Influência da temperatura no Módulo de Resiliência
Tabela 29: Influência da temperatura no Módulo de Resiliência
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LISTA DE ABREVIATURAS
AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials
AAUQ - Areia asfalto usinada a quente
ABNT- Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANP- Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
ASAC - Agregado Sinterizado de Argila Calcinada
ASTM - American Society for Testing and Materials
CA - Concreto Asfáltico
CAP - Cimento Asfáltico de Petróleo
CGS - Compactador Giratório Superpave
Cm - Centímetros
CNT- Confederação Nacional dos Transportes
CP - Corpo de Prova
D – Diâmetro do Corpo de Prova
Da – Densidade do CAP da amostra
DNIT- Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
DRF- Distrito Rodoviário Federal
GEOTEC- Grupode Geotecnia
Gmb – Maximum Specific Gravity
Gsa – Densidade Real
Gsb- Densidade Aparente
Gsbssd- Densidade Aparente na condição de superfície saturada
Gse- Densidade Efetiva
h - Média da altura do corpo de prova
LVDT- Linear Variable Differential Transducer
Mag- Massa de agregado
MMT-Montmorilonita
MPa- Megapascal (unidade de pressão/tensão)
MR- Módulo de Resiliência
N - Tráfego
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N/NE- Norte- Nordeste
Ndes- Número de giros do projeto
Nini- Número de giros inicial
Nmáx- Número de giros máximo
P- Carga Aplicada
PCA – Fração graúda do agregado em relação ao peso total da mistura
Pag- Percentual de agregados na mistura
PC- Pontos de Controle
RBV- Relação Betume/Vazios
RPB- Proporção pó/asfalto
REMAN- Refinaria Isaac Sabbá
RT- Resistência à Tração
s- segundos
SHRP- Strategic Highway Research Program
SMA- Stone Matrix Asphalt
SUPERPAVE- Superior Performing Asphalt Pavement System
TMN – Tamanho Máximo Nominal
UTM 14- Universal Testing Machine 14 Kn
v- Coeficiente de Poisson
VAM- Vazios agregado mineral
VCA- Vazios da fração graúda do agregado na mistura compactada, %
– Vazios da fração graúda do agregado compactado, em %
Vv- Volume de vazios
σt - Resistência à Tração
% a- Teor de CAP da amostra
- Deslocamento medido
°C- graus Celsius
ZR- Zona de restrição
17
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 19
1.1 Objetivos ............................................................................................................. 23
1.1.1Objetivo Geral ............................................................................................................................... 23
1.1.2 Objetivos Específicos .................................................................................................................... 24
1.2. Organização da Dissertação .............................................................................. 24
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 25
2.1Nanotecnologia .................................................................................................... 25
2.1.1 Definição de Nanotecnologia ....................................................................................................... 25
2.1.2 Evolução Histórica da Nanotecnologia ........................................................................................ 27
2.1.3 Aplicações da Nanotecnologia ..................................................................................................... 28
2.1.4. A Nanotecnologia na Construção Civil ........................................................................................ 29
2.1.5. A nanotecnologia aplicada à pavimentação asfáltica ................................................................ 32
2.2Pavimento ............................................................................................................ 34
2.2.1 Revestimento Asfáltico ................................................................................................................. 35
2.2.2 Concreto Asfáltico ........................................................................................................................ 35
2.2.3 Agregados Alternativos ................................................................................................................ 36
2.2.3.1 ASAC .......................................................................................................................................... 38
2.2.3.2 Grafeno ...................................................................................................................................... 40
2.3. Patologias dos Pavimentos ............................................................................................................. 41
2.4. Importância do Processo de Envelhecimento ................................................................................ 42
2.5. Métodos de Ensaios Laboratoriais ................................................................................................. 43
2.4.1. Resistência à Tração .................................................................................................................... 43
2.4.2. Módulo de Resiliência.................................................................................................................. 44
2.5. Dosagem Superpave ....................................................................................................................... 44
3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 47
3.1. Materiais ............................................................................................................. 48
3.1.1 Ligante Asfáltico ........................................................................................................................... 48
3.1.2. Agregados ................................................................................................................................... 49
3.2. Métodos .............................................................................................................. 56
3.2.1. Misturas Asfálticas ...................................................................................................................... 56
18
3.2.3 Dosagem das Misturas Asfálticas ................................................................................................. 56
3.2.3.1. Dosagem Mineral ..................................................................................................................... 57
3.2.3.2. Teor de Projeto ......................................................................................................................... 57
3.2.3.3. Dosagem Superpave ................................................................................................................. 59
3.3. Ensaios Mecânicos ............................................................................................ 61
3.3.1. Resistência à tração .................................................................................................................... 62
3.3.2. Módulo de Resiliência.................................................................................................................. 64
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................................................... 68
4.1. Caracterização dos Materiais ......................................................................................................... 68
4.1.1 Ligante Asfáltico ........................................................................................................................... 68
4.1.2 Agregados .................................................................................................................................... 71
4.2. Dosagem da Mistura Asfáltica ....................................................................................................... 73
4.3. Caracterização Mecânica ............................................................................................................... 79
4.3.1. Resistência à Tração (RT) ............................................................................................................ 80
4.3.2. Módulo de Resiliência.................................................................................................................. 89
5. CONCLUSÕES ..................................................................................................................................... 98
APÊNDICE .............................................................................................................. 101
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 120
19
1 INTRODUÇÃO
No que concerne ao aspecto histórico, da época da colônia ao império, o
Brasil não realizou investimentos significativos em estradas. Nesse período, os
investimentos predominavam nos portos e ferrovias, fato esse explicado no comércio
ser realizado pela costa do país (BRASIL. Ministério dos transportes, 2016).
A criação do Fundo Rodoviário Nacional (FRN) em 1945 foi o que possibilitou
o aumento nos investimentos na infraestrutura rodoviária e, seguido a isso, o
governo de Juscelino Kubitscheck passou a priorizar o transporte realizado pelas
rodovias com o intuito de estimular a produção da indústria automobilística
(BEJAMIN,2006).
Atualmente, o modal rodoviário é o mais utilizado no país, representando
cerca de 61,8% de todos os modais, seguido pelo modal ferroviário, que representa
19,46%, do aquaviário com 13,8%, do dutoviário com 4,63% e do aeroviário com
0,31%. Para o transporte de passageiros, as rodovias representam ainda 95,5% de
participação. Todavia, o estado de conservação do meio de transporte mais utilizado
no país é inadequado e traz elevados custos para o setor público e privado
(CNT,2016).
De fato, as pesquisas da Confederação Nacional dos Transportes de 2016
confirmam dados alarmantes sobre a situação das rodovias brasileiras. De toda a
extensão avaliada, 58,2% apresenta algum tipo de deficiência, ou no pavimento, ou
na sinalização ou na geometria da via. Do total, em 34,6% o estado é regular, 17,3%
é ruim, 6,3% é péssimo, prejudicando o desempenho operacional. O mais
preocupante é a interferência na segurança dos usuários. Para melhor mostrar os
resultados da pesquisa da CNT, encontra-se na tabela 1 a classificação dos
pavimentos estudados.
20
Tabela 1: Classificação do Pavimento
Pavimento Extensão Total
Km %
Ótimo 45.876 44,5
Bom 7.485 7,2
Regular 36.968 35,8
Ruim 10.227 9,9
Péssimo 2.703 2,6
TOTAL 103.259 100,0 Fonte: Pesquisa CNT de Rodovia 2016
A pesquisa da CNT (2016) avalia o estado geral da malha rodoviária
pavimentada em todo o país, levando em consideração o pavimento, a sinalização e
a geometria da via. No Pavimento, leva-se em conta as condições da superfície da
pista principal e do acostamento. Quanto a sinalização se avalia a presença, a
visibilidade e a legibilidade de placas ao longo das rodovias e asituação da
sinalização horizontal, representada pelas faixas centrais e laterais. No que diz
respeito a geometria da via, refere-se ao tipo de rodovia (pista simples ou dupla), a
presença de faixa adicional de subida (3ª faixa), de pontes, de viadutos, decurvas
perigosas e de acostamento. No Estado do Amazonas, a Pesquisa da Confederação
Nacional do Transporte percorreu 980 km, tendo analisado em todo o país 103.259
km.
Ao se analisar o estado do Amazonas, a situação se torna ainda mais
dramática. O mesmo estudo realizado em 2016 pela CNT aponta que 96% das
rodovias do estado denotam algum tipo de deficiência. Foram qualificadas como
regulares, ruins ou péssimas. Somente 4% do total enquadram-se em conceito bom
ou ótimo. Por conta dos problemas no pavimento das rodovias amazonenses, o
custo de operação do transporte aumenta cerca de 55,4%, devido à redução na
segurança, o aumento no custo de manutenção dos veículos e o consumo de
combustível. Para estabelecer comparações, a média nacional desse aumento de
21
operação chega a 24,9% e a da região norte 34,3%. A figura 3 representa a
classificação dos estados dos trechos no Amazonas.
Figura 1: Manaquiri/ AM- BR 174 Figura 2: BR 319
Fonte: Pesquisa CNT de Rodovias, 2016.
Figura 3: Classificação dos estados dos trechos no Estado do Amazonas
22
Fonte: Pesquisa CNT de Rodovias 2016.
Tabela 2: Classificação das características avaliadas em km do estado do Amazonas
Amazonas Estado
Geral
Pavimento Sinalização Geometria
da via Ótimo - 6 10
Bom 39 33 227 39
Regular 310 521 222 30
Ruim 256 235 105 457
Péssimo 375 185 416 454
TOTAL 980 980 980 980
Fonte: Pesquisa CNT de Rodovia 2016
No que se refere a Manaus, de acordo com Simas et al (2013), as precárias
condições observadas dos pavimentos na capital podem estar associadas sobretudo
à escolha do revestimento asfáltico do tipo areia asfáltica (AAUQ), que para as altas
temperaturas da região não se enquadra como melhor opção do ponto de vista
técnico. No entanto, devido à dificuldade de obtenção de agregado pétreo, que dista
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no mínimo aproximadamente 200km, torna inviável a sua exploração e a sua
consequente utilização nos pavimentos locais.
Segundo Bertoldo (2010), uma outra alternativa para a escassez de
agregados pétreos é a utilização de seixo como agregado graúdo. Entretanto,
conforme Frota et al (2016), a extração do seixo para misturas de concreto asfáltico
acarreta em problemas ambientais.
Nesse aspecto, há produtos artificiais como Agregado Sinterizado de Argila
Calcinada (ASAC) que pode ser empregado como agregado graúdo. De acordo com
diversos trabalhos, como Vieira (2000), Nascimento (2005), Frota et al, (2006), Frota
et al (2007), Santos et al (2007), Silva (2011), Silva (2014) o ASAC mostra-se
promissor e com viabilidade técnica para uso na mistura asfáltica.
Diante do exposto, é de grande relevância para a região amazônica estudos
que resultem na busca por materiais alternativos que possam substituir os
agregados pétreos convencionais, de modo a apresentar características
semelhantes àqueles e que atendam às especificações técnicas mínimas exigidas
na pavimentação asfáltica. Desse modo, esses novos materiaispodem ser
empregados às misturas asfálticas, proporcionando aumento no desempenho
mecânico dessas misturas e contribuindo para a preservação da matéria não
renovável da região. Adicionado a isso, materiais novos, em escala nanométrica,
que têm surgido com propriedades muito importantes, podem ser adicionados às
misturas asfálticas, proporcionando diminuição na porcentagem de alguns dos
elementos e até mesmo aumento no desempenho mecânico dessas misturas.
1.1 Objetivos
1.1.1Objetivo Geral
Examinar o comportamento mecânico de misturas asfálticas do tipo
Concreto Asfáltico (CA), com a participação do material alternativo Agregado
Sinterizado de Argila Calcinada (ASAC), na função de agregado graúdo, e de
nanomaterial de multicamadas de grafeno, na função de modificador do ligante,
mediante o aumento de temperatura e do envelhecimento da mistura.
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1.1.2 Objetivos Específicos
a)Caracterizar fisicamente os materiais integrantes da Mistura Asfáltica
(ASAC, areia, cimento Portland, ligante asfáltico, nanomaterial de multicamadas de
grafeno.
b)Realizar dosagem das misturas asfálticas pela metodologia Superpave
com o emprego do Compactador Giratório Superpave.
c)Comprovar a viabilidade técnica da mistura asfáltica CA confeccionada
com ASAC como agregado graúdo.
d)Determinar o comportamento da mistura asfáltica de Concreto Asfáltico
de Referência (ASAC, areia, cimento Portland e cimento asfáltico de petróleo)
quanto à Resistência à Tração (RT) e quanto ao Módulo de Resiliência (MR).
e)Determinar o comportamento da mistura asfáltica de Concreto Asfáltica
Grafeno (ASAC, areia, cimento Portland, cimento asfáltico de petróleo e
nanomaterial de multicamadas de grafeno) quanto à Resistência à Tração (RT) e
quanto ao Módulo de Resiliência (MR).
f)Determinar o comportamento da mistura asfálticade Concreto Asfáltico
não Envelhecida (ASAC, areia, cimento Portland, cimento asfáltico de petróleo)
quanto à Resistência à Tração (RT) e quanto ao Módulo de Resiliência (MR).
g)Comparar o desempenho mecânico da mistura asfáltica de Concreto
Asfáltico grafeno com a composição de referência.
h)Comparar o desempenho mecânico da mistura asfáltica de Concreto
Asfáltico não envelhecida com a de referência.
i)Contribuir com alternativas técnicas à pavimentação regional.
1.2. Organização da Dissertação
A pesquisa em questão está dividida em capítulos, articulada do seguinte
modo:
No capítulo 1 estão descritos a parte introdutória do trabalho e os objetivos
almejados com o estudo.
O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica, mencionando-se a
nanotecnologia, o seu histórico, as aplicações no âmbito geral e mais restritamente
no campo da construção civil e da pavimentação asfáltica, com foco para o
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nanomaterial de multicamadas de grafeno. Neste capítulo também serão descritas
informações sobre pavimentação asfáltica, mais precisamente sobre a mistura
asfáltica empregada do tipo CA (Concreto Asfáltico). Discorre-se também sobre os
materiais alternativos que podem ser empregados na pavimentação asfáltica com
destaque para o Agregado Sinterizado de Argila Calcinada que será utilizado no
trabalho, a importância do envelhecimento na execução das misturas asfálticas, os
métodos de ensaios laboratoriais que serão realizados no trabalho (ensaio de
Resistência à Tração e o de Módulo de Resiliência), além da metodologia
Superpave, que foi adotada na dosagem para a mistura asfáltica estudada.
No capítulo 3 são descritos os materiais e métodos de caracterização dos
componentes da mistura asfáltica (ligante+agregados+filer+nanomaterial), o
processo de dosagem e os ensaios mecânicos realizados para o estudo do
comportamento mecânico.
No capítulo 4 apresenta-se e se discute os resultados obtidos com os
ensaios mecânicos, onde são interpretados detalhadamente os dados obtidos com
os corpos de prova testados.
Finalmente, no capítulo 5 são apresentadas as conclusões obtidas e
sugestões para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1Nanotecnologia
2.1.1 Definição de Nanotecnologia
A nanotecnologia é o novo campo da ciência que lida com estruturas em
nanoescala. Para se ter uma idéia das dimensões dos objetos nessa escalam, faz-se
a seguinte analogia: se um fio de cabelo humano tivesse como diâmetro um campo
de futebol, uma partícula nanométrica teria o diâmetro de uma caneta. As
nanopartículas têm tido diversas aplicações, devido às suas diversas propriedades
(ANIRKHANIAN et al, 2011).
Figura 4: Representação em escala de nanopartículas
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Fonte:http://betaeq.com.br/index.php/2015/09/29/a-origem-da-nanotecnologia-e-suas-varias-
aplicacoes
Essa inovação corrobora para o entendimento e controle da matéria na escala
nanométrica. Desse modo, a denominada nanoescala trata de dimensões entre 1 e
100 nanômetros (1 nanômetro = metros), ilustrada na Figura 4.
As principais razões da mudança no comportamento dessas partículas
referem-se à área superficial aumentada e a predominância dos efeitos quânticos.
Um aumento na área superficial (por unidade de massa) resulta em aumento na
reatividade química. Quanto aos efeitos quânticos, esses podem surgir e alterar
significativamente as propriedades ópticas, magnéticas ou elétricas de um material
(ROYAL SOCIETY, 2004).
A ciência da nanotecnologia mostra-se como a habilidade de controlar a
matéria em escala nanométrica e utilizar as suas propriedades e fenômenos. Pode
ser definida também como a capacidade de controlar a matéria nessa escala nano e
utilizar as propriedades e fenômenos desta dimensão em materiais, ferramentas e
sistemas modernos. A nanotecnologia, com seu caráter interdisciplinar, abrangerá
todas as tecnologias no futuro e, ao invés de competir com as mesmas, conduzirá à
sua integração (MOTLAGH, 2012).
Desse modo, em consonância com o exposto pela Royal Society (2004), a
tecnologia em nanoescala é vislumbrada como um renascimento tecnológico e bom
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fluxo de capital. Novos produtos inspirados nessa inovação trarão mudanças
representativas no bem-estar, na qualidade de vida, no meio ambiente e na própria
capacidade de defesa, além de redirecionamentos econômicos.
2.1.2 Evolução Histórica da Nanotecnologia
Ramsden (2016) descreve que em 1959 houve uma conferência realizada por
Richard Feynman com o título “There´s Plenty of Room at the Bottom” (Há muito
espaço lá em baixo). Nesse evento, Feynman descreveu as possibilidades
importantes que poderiam surgir caso os cientistas pudessem controlar átomos e
moléculas e, dessa forma, os microscópios eletrônicos. No entanto, em nenhum
momento foi usado o termo nanotecnologia. Todavia, pode-se considerar que para
os dias atuais, essa palestra significou uma visão da tecnologia em nanoescala
(TOUMEY,2009).
Mesmo passados vinte anos dessa palestra, no ano de 1983, Feynman falou
do mesmo tema, porém com título diferente “Infinitesimal machinery” (Máquinas
infinitesimais). Nessa palestra reafirmou as idéias da primeira palestra, tendo certas
partes reiteradas textualmente. No entanto, apenas após três anos desse último
encontro com os cientistas, Feynman veio a falecer acometido de um câncer. O seu
legado não ficou perdido, pois foi alvo de publicações em livros e revistas e é
considerado o idealizador pioneiro na área de nanotecnologia (FEYNMAN, 2006).
Todavia, somente nos últimos anos que se desenvolveram ferramentas
sofisticadas que pudessem manipular e investigar a matéria em nanoescala. Um fato
marcante foi a invenção do microscópio de tunelamento de varredura (STM) e de
força atômica (AFM) no ano de 1986, que proporcionou a obtenção de imagens em
escala nanométrica dos mais diversos materiais (ROYAL SOCIETY, 2004).
De fato, a nanotecnologia é hoje a tradução de uma revolução tecnológica
que é de grande alcance e de efeito na história. Na área de engenharia de materiais,
cada dia são desenvolvidos novos materiais com propriedades superiores aos já
existentes (YAMAMURA, 2009).
28
2.1.3 Aplicações da Nanotecnologia
Nos últimos anos, muitos estudos têm sido concentrados na área de
nanotecnologia devido às suas aplicações avançadas nos diversos campos. Pode-
se considerar que houve impulso em pesquisas nesse sentido ao longo desses
anos. É fato que as nanopartículas têm muitas aplicações em variadas áreas, devido
às suas características únicas que as diferem da matéria convencional. Dentre as
aplicações cita-se: Química, catálise e design de drogas; Medicina, optoeletrônica;
Dispositivos, células solares, sensores, baterias, eletrodos de condução
(AHMARUZZAMAN, 2016).
Conforme Peng et al (2004), os nanofios semicondutores, por exemplo, têm
atraído grande atenção devido ao seu tamanho submicron, que por isso possuem
propriedades elétricas e ópticas originais e aplicações potenciais no campo da
nanoeletrônica, tais como: transistores de efeito de campo de alta velocidade,
sensores biológicos e químicos e emissores de luz com baixo consumo de energia.
No caso dos nanofios de silício, estes carregam importância ainda maior, pois o
sílicio trata-se do material básico da microeletrônica.
Na nanobiotecnologia há a combinação de múltiplos setores através do
estudo e desenvolvimento, como: nanotecnologia, biotecnologia, ciência dos
materiais, física e química que podem proporcionar novos recursos para a avaliação
e desenvolvimento de novas tecnologias que sejam mais seguras e eficazes que as
convencionais ( DIANPANKAR et al 2012).
No campo da medicina, de acordo com Cai E Chen (2007) a nanotecnologia
possui excelentes resultados para detecção precoce, diagnóstico preciso e
tratamento personalizado do câncer. Ainda se tratando da área da saúde,
nanopartículas de ouro são vitais na morte de células cancerosas.
A nanotecnologia vem sendo amplamente empregada também em outras
indústrias, como a do petróleo, que ganhou enorme interesse nos últimos anos,
sendo as nanopartículas de sílica as mais amplamente testadas (MOKHATAB,2006).
Dentre as diversas aplicações da tecnologia em nanoescala, uma de uso
predominante na fabricação de compósitos de alto desempenho, diz respeito aos
nanotubos de carbono, ilustrados na figura 5, que nas últimas décadas têm sido
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usados como reforços, devido a qualidade das características mecânicas
atrealadas a esse material (MONTES e MORAN et al, 2002).
Figura 5: Nanotubos de Carbono
Fonte: Motlagh, 2012
Ao lado dos nanotubos de carbono, há o grafeno, que consiste em uma
única camada atômica de átomos de carbono interconectados. O interesse nesse
material tem sido crescente por apresentar, entre outras caracteísticas eletrônicas,
características mecânicas notáveis. Para se ter idéia, consegue-se atingir o limite
resistência mais elevado conhecido até então. Dentre as suas utilizações pode-se
citar os sensores, dispositivos de armazenamento de energia e fotodetectores (KAZI,
2015).
É visto, pois, que a nanotecnologia tem alcançado espaço nas mais
diversas áreas de conhecimento. Os nanomateriais deverão desempenhar papel
fundamental nas próximas décadas, dentro do amplo espectro de setores, incluindo
a indústria química, da construção civil, petrolífera, eletrônica e saúde, dentre outras.
2.1.4. A Nanotecnologia na Construção Civil
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A aplicação da nanotecnologia no campo da construção ainda é muito
insignificante. Com a evolução da tecnologia nanométrica em indústrias biomédicas
e eletrônicas, a indústria da construção passou a buscar recentemente uma forma
de melhorar os materiais de construção convencionais e, para isso, fazendo uso de
uma variedade de nanomateriais. Vários nanomateriais podem melhorar as
características dos materiais convencionais de construção, tais como resistência,
durabilidade e propriedades térmicas.Todavia, a utilização dessa tecnologia em
nanoescala tem o alto custo dos produtos nanoestruturados. Apesar do custo, o seu
uso em materiais de construção deve se tornar corrente devido à transmissão de
propriedades altamente valiosas a proporções de aditivos relativamente baixos em
materiais nanoestruturados (SCRIVENER E KIRKPATRICK, 2008).
Estudos recentes em construção civil têm sido conduzidos para desenvolver
nanomodificadores utilizando óxidos cerâmicos nanométricos em materiais
cimentícios, visando melhorar as propriedades físico-químicas dos concretos e
argamassas. Dentre os materiais mais estudados, a nanosilica se destaca por suas
propriedades pozolânicas (SANCHEZ e SOBOLEV, 2010).
Os nanotubos de carbono também são exemplos de materiais que reforçam
os compósitos de cimento. Esse tipo de nanomaterial possui ampla aplicação na
eletrônica, biotecnologia, química. A força e a rigidez desse modificador acabam por
melhorar o desempenho mecânico do concreto e suprimir a geração e o crescimento
de rachaduras, além de ser facilmente dispersos (MAKAR e BEAUDOIN, 2004).
O grafeno, cuja estrutura cristalina está representada na Figura 6, é um
material com grande potencial para o futuro da engenharia civil devido a sua baixa
densidade e excelente resistência mecânica. Para parametrizar a comparação, antes
da invenção do grafeno, considerava-se que o aço era o material de construção
mais resistente. No entanto, sabe-se que esse novo material é da ordem de cem
vezes mais resistente que o aço (KHITAB e ARSHAD, 2014).
Figura 6: Ilustração do grafeno
31
Fonte: http://tecnologia.culturamix.com/tecnologias/o-que-e-grafeno
Vários estudos vêm sendo realizados para constatar o desempenho na
aplicação do grafeno em argamassa de cimento. Notou-se que a adição de
nanopaletas de grafeno tem de fato aprimorado a condutividade elétrica desse tipo
de argamassa, que torna o cimento um detector de danos, no qual o aumento na
condutividade elétrica, pode relacionar-se ao nível do dano do material (DU e PANG,
2015).
Outro tipo de aditivo ao concreto para melhorar as suas propriedades são as
nanopartículas do Dióxido de Titânio, que é um pigmento branco que pode ser
usado como um revestimento de refelexão favorável, além de ser capaz de quebrar
poluentes orgânicos, compostos orgânicos voláteis através de fortes reações
fotocatalíticas e, portanto, a fim de criar propriedades de desinfecção para tintas
cimento e vidro é adicionado, ou seja, ao se utilizar o Dióxido de Titânio na área
externa da estrutura, pode-se reduzir a concentração de poluentes no ar (MELO e
TRICHES, 2012).
Desse modo, a indústria da construção civil tem sido considerada como a
área com muitos potenciais de desenvolvimento no viés da nanotecnologia. Ainda
está nos primeiros estágios de expansão. Aos poucos as pesquisas na área tem
avançado, sendo necessário fazer gandes esforços em ciência e tecnologia
(SALAMANCA e BUENTELLO, 2005).
32
2.1.5. A nanotecnologia aplicada à pavimentação asfáltica
O asfalto possui composição química complexa, com propriedades viscosas e
elásticas que variam fortemente com o tempo e com a temperatura. Pesquisadores
vêm aplicando vários tipos de modificadores para melhorar o desempenho dos
materiais asfálticos. Até agora os principais tipos de modificadores são polímeros
(SBS, borracha e resina), agentes anti-trincas (cinzas de cal, saponina alcalina e
agente de acoplamento) fibras (como fibras de aço, de madeira, de basalto, de
poliestireno, de vidro e de carbono) e filler (cinza de carvão, enxofre, diatomita e
sílica). (GUO et al, 2016). A figura 7 representa a ilustração das diferentes
dimensões de asfalto.
Figura 7: Ilustração da evolução de dimensões diferentes de asfalto
Fonte: You, 2009
Ainda de acordo com GUO et al, 2016, nos anos recentes, a nanotecnologia
tem sido amplamente usada em muitos campos como nova tecnologia com amplas
perspectivas. Muitos pesquisadores têm usado nanomateriais no cimento. Dessa
forma, a modidicação do asfalto por adição de nanomaterial é relativamente
atrasada, comparada com o concreto modificado.
Um dos aditivos promissores no campo da construção é o uso de nanotubos
de carbono que foi primeiramente caracterizado de forma profunda em 1991 por
Iijima. (IIJIMA, 1991). De modo geral, os nanotubos de carbono são feitos de
camadas de grafite que se enrolam para formar uma estrutura tubular, o que é
realizado através de vários métodos. Na maioria deles usa-se a eletricidade ou gás
inerte em câmara fechada. (LAMB et al, 1993). Conforme Motlagh et al, 2012, as
propriedades especiais e únicas dos nanotubos de carbono, como o alto módulo de
33
Young, boa resistência à tração, alta condutividade térmica e alta densidade
superficial, o levam a ser usado como aditivo e modificador do asfalto.
As nanoargilas são largamente empregadas na modificação do polímero na
realização de melhorias significativas em propriedades mecânicas, térmicas e de
barreira (You, 2010). O tipo de argilomineral em camadas mais manuseado é a
montmorilonita (MMT), no qual a estrutura consiste em camadas com dois tetraedros
de sílica, intercalados por uma camada de octaédrica de alumina.
Muitos estudos têm se dedicado ao emprego das nanoargilas como reforço
dos ligantes asfálticos. Mesmo havendo alguns tipos desse material que não
interferem na rigidez ou viscosidade do ligante, outros tipos mostram-se muito bons.
(LEE et al, 2008). De acordo com Yang e Tighe, 2013, na realização dos testes de
rigidez, resistência à tração, módulo de tensão, resistência a flexão e módulo de
estabilidade térmica, notou-se que o módulo de elasticidade do ligante modificado
por nanoargila foi maior que o não modificado e que a dissipação da energia
mecânica foi menor, demonstrando que há vantagem na sua adição.
Há também pesquisas que empregam a nanosílica como modificador do
ligante, que é um composto abundante, que possui também serventia fora da área
de ciência de materiais, como em medicações, por exemplo. Uma outra função
desse material seria o reforço de elástomeros, no sentido de melhorar a sua
reologia ( YANG e TIGHE, 2013).
Conforme estudos de You et al., 2011 e Yao et al. 2012, a adição de 2% a 4%
de nanosílica do peso do ligante, pode reduzir a profundidade da deformação
permanente para quase a metade. De acordo com essas pesquisas, notou-se
também que as profundidades das deformações permanentes diminuiram se
comparadas com as misturas não modificadas. As menores deformações foram
detectadas ao se empregar as maiores porcentagens de nanosílica.Todavia, os
estudos realizados nas misturas asfálticas modificadas com nanomateriais ainda são
inexpressivos se comparados aos realizados na área de modificação dos ligantes
por partículas nanométricas.
Um novo material que é foco de pesquisas, enquadrado na área da
Engenharia Civil, é a fibra de basalto, que possui boas propriedades físicas e
estáticas. A adição de fibras de basalto em concreto asfáltico trouxe resultados
positivos para a estabilidade da mistura asfáltica e apesar do custo envolvido, a
utilização desse material mostra-se vantajosa (MOROVA,2013).
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De acordo com estudos, a adição de grafeno, para modificação do ligante,
melhoram as propriedades mecânicas e de compactação, comprovando que
melhora o desempenho dos pavimentos asfálticos ( LE at al, 2016).
Figura 8: Representação de Nanoplaqueta de grafeno (GNP): (a) folha de grafeno,
(b) estrutura atómica do GNP, (c) como materiais GNP são recebidos.
Fonte: Le et al, 2016
Por conseguinte, conforme Sun et al. (2016), essas pesquisas comprovam
que os nanomateriais conseguem aumentar o desempenho da pavimentação
asfáltica, comprovando que de fato é vantajoso a sua em compósitos asfálticos.
2.2Pavimento
Conforme Brown (1996), os pavimentos são estruturas de engenharia civil
usadas pelos veículos que devem proporcionar segurança e conforto para os seus
usuários. É importante salientar que há uma grande variedade de estruturas de
pavimento que dependem da natureza dos veículos, das cargas das rodas
envolvidas e do número dessas cargas durante certo período de tempo.
A configuração de uma estrada pavimentada baseia-se em uma ou mais
camadas de material, em que cada uma possui a função de distribuir a carga. A
camada inferior deve ser mais larga e a camada superior, por estar exposta a
maiores solicitações, necessita ser de material mais resistente (COOK, 2013). A
35
ilustração das camadas do pavimento pode ser observada conforme descrição na
figura 9.
Conforme Hamed (2010), os pavimentos asfálticos rodoviários podem ser
definidos como camadas de asfalto construídas ligadas sobre uma base granular.
Devido a isso, a estrutura total pavimento sofre deflexão por conta das cargas do
tráfego, o que dá a esse tipo de elemento a denominação de pavimento flexível. É,
pois, uma estrutura composta de várias camadas de materiais, que dividida em
camada de revestimento asfáltico, base e subbase, como mostrado na figura 9.
Figura 9: Estrutura típica da estrutura do pavimento flexível
Fonte: Mashaan, 2014
2.2.1 Revestimento Asfáltico
De acordo com o Instituto do Asfalto (2002), o revestimento asfáltico está
exposto ao tráfego de veículos, devendo ser resistente à distorção, com superfície
de rolamento lisa e, ao mesmo tempo, resistente à derrapagem. Além disso, deve
ser dotado de impermeabilidade e sua declividade deve ser tal que a água possa ser
transportada para as laterais, proporcionando proteção para o pavimento. A
superfície do pavimento deve ter também resistência ao desgaste propriciado pelo
tráfego dos veículos, mantendo as propriedades anti-derrapantes e mantendo-se
aderida a camada da base.
2.2.2 Concreto Asfáltico
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Um dos tipos mais comuns do mundo de materiais empregados na camada
superficial do pavimento é o concreto asfáltico. É um material poroso produzido a
temperaturas muito elevadas, composto por uma mistura de ligante asfáltico,
partículas agregadas e vazios de ar. Após algum tempo a rigidez desse tipo de
mistura aumenta, enquanto que sua capacidade de relaxamento diminui, tornando a
pasta mais frágil e ocasionando o surgimento de micro-rachaduras
(BRANTHAVER,1993).
O concreto de asfalto (CA) consiste em compósito típico de matriz polimérica
composto por ligante asfáltico, agregados minerais e vazios de ar. Desse modo,
possui comportamento complexo viscoelastoplástico, o qual dependente do tempo e
comportamento não-linear que depende da tensão a que está sendo submetida
(CHOI E KIM, 2013).
Esse tipo de mistura asfáltica tem ampla utilização em pavimentos de pontes,
de aeroportos cada uma com aplicações estruturais relacionadas. No entanto, é
desejado o uso concomitante desses materiais para funções estruturais com o intuito
de fornecer estruturas inteligentes e dirimir os altos custos, a baixa durabilidade e a
complexidade de projeto (LIU,2008).
Conforme Shaw (1980), o tipo de mistura asfáltica concreto asfáltico (CA)
deve possuir alta rigidez para ter capacidade de resistir à deformação permanente.
No então, as misturas desse tipo devem possuir resistência à tração suficiente no
interior da camada de asfalto para evitar o surgimento de fissuras após a solicitação
de muitas cargas.
2.2.3 Agregados Alternativos
O setor da construção é um dos mais importantes e de maior
responsabilidade no desenvolvimento social e econômico de qualquer sociedade. No
entanto, essa indústria é uma das mais poluidoras que, além de causar impactos
ambientais significativos, faz uso de grandes quantidades de recursos naturais tais
como energia, água, solo, produzindo grande quantidades de resíduos que, na
maioria das vezes, não são controlados ou reciclados (COELHO e DE BRITO,
2011).
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Conforme Estanqueiro et al., 2016, a aplicação de componentes reciclados
em materiais de construção é um dos aspectos que deve ser analisado para
diminuição de impactos ambientais. Os resíduos provenientes construção e
demolição são geralmente gerados durante a construção civil, demolição, atividades
de renovação de edifícios, trabalhos rodoviários (WU et al., 2015). Em suma, os
pontos positivos inerentes da gestão de resíduos são bem claros, todavia a
aplicação dessas práticas em países em desenvolvimento já não é tão simples
(LOCKEY et al., 2016).
O uso de resíduos de construção e subprodutos industriais como vidro,
escórias, asfalto reciclado do pavimento para a construção de estradas, têm sido
recentemente enfatizados devido ao potencial de esgotamento de fontes de
agregados de alta qualidade. Há também a necessidade de utilizar materiais
alternativos, devido às flutuações nos preços dos materiais de construção rodoviária,
como o ligante asfáltico. Além de aumentar a conscientização sobre as questões
ambientais, como eliminações de emissões de gases prejudiciais à camada de
ozônio (GEORGE,2016).
A utilização de materiais reciclados é de grande prioridade na indústria da
pavimentação, não apenas pela redução dos custos de construção, mas pela
minimização do impacto ambiental da construção rodoviária. Nas últimas décadas
foram investigadas o emprego de diferentes materiais recicláveis como o asfalto
fresado, também denominado de RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) nos Estados
Unidos, além de escória de alto forno, cinzas, resíduos de borracha de pneus,
resíduos de vidro e telhas. Há destaque, porém para o pavimento de asfalto
recuperado (RAP) e as telhas de asfalto reciclado (MOON,2014).
Conforme o NCHRP (2001), o pavimento de asfalto recuperado foi usado
nos EUA por mais de três décadas. Quase 73 milhões de toneladas de RAP são
recuperadas e 84% são usados anualmente em pavimentação asfáltica no país
americano, configurando-se como o material mais reciclado nos EUA. Conforme
Hansen et al., 2011) na última década, outra fonte significativa de reciclagem
materiais para construção de pavimentos são as telhas de asfalto reciclado (RAS).
As telhas de asfalto são amplamente utilizadasna construção de telhados nos EUA,
quase 11 milhões de toneladas de resíduos de cobertura betuminosasão gerados a
cada ano nos EUA e a maioria deles sãodescartados em aterros sanitários.
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O Grupo de Geotecnia da UFAM vem buscando alternativas, com o uso da
matéria prima disponível na região ou resíduos da indústria da construção civil. De
acordo com estudos realizados no estado do Amazonas, pelo mesmo grupo de
pesquisa, a substituição do material pétreo convencional, como o seixo, pelos
resíduos da construção e demolição, confere bons resultados para as misturas
asfálticas (FROTA et al., 2003).
Os trabalhos do grupo não se restringiram ao uso de resíduos de
construção e demolição. Os estudos foram alavancados com a sua inserção na
Rede de AsfaltoNorte/Nordeste em 2002, no projeto “Caracterização Mecânica de
Misturas Asfálticas eAgregados Regionais, e Asfaltos Produzidos pelas Refinarias
N/NE”. Com objetivo de desenvolver alternativas para a melhoria dos pavimentos da
Região Amazônica, o Grupo de Geotecnia fez parcerias importantes (Petrobras/UN-
AM, Ministério dos Transportes), e ao mesmo tempo obteve financiamento de órgãos
de fomento – Conselho Nacional deDesenvolvimento Científico e Tecnológico
(CNPq) e Fundação de Amparo à Pesquisa doEstado do Amazonas (FAPEAM), por
meio de concorrência por editais públicos, o que possibilitou a solidificação dos
conhecimentos. Dentre os materiais estudados, além dos resíduos da construção e
demolição, têm-se os agregados sinterizados de argila calcinada (SILVA,2011).
2.2.3.1 ASAC
Pesquisas em agregados leves têm sido realizadas desde 1966, com a
instalação de uma fábrica de argila expandida em Jundiaí. Já os primeiros estudos
sobre argila calcinada na Região Amazônica foram realizados pelo Departamento de
Infraestrutura Rodoviáriária (DNER, 1981). Posteriormente, Fabrício (1986) levou ao
desenvolvimento de uma planta de protótipo móvel para produzir argila expandida.
Cabral et al. (2008) realizaram estudos sobre o emprego do ASAC em
misturas de asfalto com matérias-primas do Estado do Pará, que obtiveram
excelentes resultados quando comparados ao natural Agregado, mostrando que o
agregado sintético pode suportar compactação mecânica pesada,conforme testes de
degradação.
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Cabral et al. (2013) relataram o usode ASAC em concreto estrutural no
estado do Amazonas, verificando-seque a resistência mecânica era semelhante à da
agregados naturais, como o seixo, para o mesmo consumo de cimento.
Silva et al.(2014) realizaram o estudo viscoelástico da mistura asfáltica
confeccionada com agregados sinterizados de argila calcinada, embasada no ensaio
de módulo dinâmico e complementando pesquisas do Grupo de Geotecnia da
Universidade Federal do Amazonas, GEOTEC.
Há também estudo nessa mesma área de efeito realizados pelo Instituto
Militar de Engenharia(IME) e pelo Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós Graduação e
Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ),
os quas consideram como promissores o uso desse agregado artificial (SILVA,
2013).
Silva (2011) obteve o módulo dinâmico uniaxial (tração com tensão
controlada e tração/compressão com deformação controlada) de uma mistura com o
agregado alternativo e de outras com agregado convencional (seixo rolado).O
estudo salienta que os módulos dinâmicos das misturas com ASAC apresentaram-se
superiores aos das misturas com seixo para altas temperaturas de ensaio e baixas
frequências de aplicação de carga, mostrando que as mesmas, nessas condições
que melhor retratam a situação dos pavimentos locais, estão menos susceptíveis às
deformações permanentes, como é o caso dos afundamentos de trilhas de roda.
Para baixas temperaturas e altas frequências, o processo se inverteu e as misturas
com seixo passaram a apresentar maiores valores de |E*| que as misturas com
ASAC. Ou seja, as misturas com o material alternativo mostraram-se menos
suscetíveis às variações de temperatura que as misturas com seixo rolado.
Silva et al (2015) pesquisaram o desempenho mecânico de misturas
asfálticas com ASAC (agregado graúdo), considerando-se suas características
viscoelásticas. Comparou-se o comportamento do ligante quando submetido ao
aumento da temperatura compatível com as condições locais, determinando-se o
módulo complexo com os ensaios de rigidez (vigotas) por flexão a quatro pontos,
avaliando-se também a viabilidade de confecção das vigotas em um molde metálico.
Barbosa (2016) analisou o comportamento mecânico de misturas asfálticas
do tipo Stone Matrix Asphalt (SMA), com a participação de materiais alternativos
como o Agregado Sinterizado de Argila Calcinada (ASAC) e o Resíduo da
40
Construção e Demolição, ambos na função de agregado graúdo e obteve bons
resultados de resistência à tração, módulo de resiliência e módulo dinâmico.
Aragão et al (2017) estudaram o módulo resiliente para proporções
estáticas de resistência à tração indireta permitindo inferir que as misturas de asfalto
feitas com agregados sintéticos apontam para uma vida de fadiga mais longa
quando comparada a misturas com seixo.
2.2.3.2 Grafeno
O grafeno despontou como material que permite uma variedade de
aplicações devido às propriedades mecânicas e eletrônicas excelentes que possui,
das quais vão da área da microeletrônica até a medicina (PALERMO, 2013).
Conforme Novoselov et al. (2012) o material grafeno consiste em uma
camada muito fina de carbono, na qual possui diversas propriedades, com grande
potencial para emprego em uma variedade de áreas como materiais leves,
revestimentos especializados, novos biomateriais e sensores, além de aplicações
médicas inovadoras.
Uma folha desse material configura-se como uma única camada de átomos
de carbono, de arranjo hexagonal, possuindo propriedades mecânicas e de
transporte de elétrons superiores aos materiais conhecidos. Para se ter noção, a
rigidez do grafeno é na faixa de 1 TPa, a sua condutividade elétrica é maior que a
do cobre e a resistência do grafeno tem valor cerca de 100 vezes a do aço. ( LEE et
al., 2008). Deve-se destacar que o grafeno também possui uma estabilidade térmica
alta, de no mínimo 2600 K (KIM et al., 2010)
A sua obtenção tem sido muito estudada, culminando em diversos métodos
de produção desse material, dentre os mais comuns pode-se citar a esfoliação
mecânica do grafite, a fabricação química e os diferentes crescimentos epitaxiais,
redução quimica do óxido de grafite por redutor como a hidrazina, esfoliação da fase
líquida do grafite em solventes orgânicos e também procedimentos de intercalação
do grafite seguido de aquecimento térmico ( CHEN et al., 2010)
Kun et al. (2016), utilizaram moinho de atrito de alta eficiência,
configurando-se como uma ferramenta de sucesso para a produção de
multicamadas de grafeno que para a melhor resposta obteve-se 40 multicamadas de
41
grafeno. Empregou-se na moagem etanol que, se comparada com adição de água
ou apenas a interferência do ar, apresenta o melhor resultado na separaçãodas
camadas de grafite e dentre os tempos de moagem estudados. Na moagem de 10h
obteve-se a maior distância entre as multicamadas aderentes separadas, o que
comprovou o maior grau de esfoliação.
Com o passar dos anos de pesquisa com intuito principal de produzir
grafeno de alta qualidade, mesmo em pequena escala, o foco dos estudos agora
tem sido a aplicação desse material no mundo real. Desse modo, há vários
profissionais dispostos a desenvolver formas de obter grafeno menos defeituosos o
possível, em grandes quantidades e a um baixo custo (LEON et al., 2013)
2.3. Patologias dos Pavimentos
As misturas asfálticas são frequentemente empregadas na Engenharia de
Pavimentos. Durante a vida útil, esses compósitos estão sujeitos a cargas e tensões
que podem levá-los a sua deterioração. A fadiga é uma das dificudades mais
comuns nas misturas asfálticas e é causada principalmente pelo carregamento do
tráfego e pelo gradiente térmico (BAEK, 2010.)
Ao eixo do veículo passar pela superfície do pavimento, a carga de tráfego
aplicada induz uma ação de flexão, bem como duas tensões de cisalhamento. As
variações de temperatura periódicas resultam em contração e expansão repetidas,
que levam à tensão de tração no pavimento. A passagem repetida dos veículos, ao
longo do tempo, com o efeito de alavanca gerado por tensões devido à variação da
temperatura, desencadeiam um processo de fadiga que eventualmente levam
aosurgimento e propagação de deformações ao longo das camadas do pavimento
(MORENO, 2012).
A fase de laboratório é importante para selecionar os materiais adequados
para a mistura asfáltica. No intuito de ses evitar as deformações devido a fadiga, um
dos principais fatores a serem considerados são o ligante asfáltico e o filer, o filer
proporciona coesão a mistura e devida resistência à tração e ao cisalhamento para
resistir a ação térmica e da carga do tráfego (BARDESI,2010).
As deformações que surgem em misturas betuminosas, como em outros
compósitos como o concreto, geralmente se inicia na argamassa e se propagam ao
42
longo da mistura. Por conta disso, a seleção correta de betume, enchimento e
agregado fino é crucial para um ótimo desempenho de mistura. Mas, outro outro
fator importante na prevenção das fissuras é a escolha do Agregado Graúdo, pois a
sua forma e gradação fornece atrito interno e de rolamento capaz de resistir às
tensões devido às cargas do tráfego, além disso afeta a adesão com o ligante
asfáltico e sua resistência à fragmentação (Mo et al., 2009).
As deformações devido a fadiga é uma das patologias mais comuns em
pavimentação em todo o mundo e um dos principais fatores que conduzem o fim da
vida útil de uma rodovia. A fadiga surge por conta de dois mecanismos de
deterioração que dizem respeito ao carregamento do tráfego e a ação de gradientes
térmicos. As consequências a longo prazo dessa patologia pode acarretar problemas
do ponto de vista estrutural com transferências de cargas que podem ocasionar
deformações e falhas de cisalhamento, além de penetração de umidade e de outros
agentes químicos, os quais podem reduzir significativamente a segurança e conforto
do usuário (MORENO, 2013).
2.4. Importância do Processo de Envelhecimento
De acordo com Idham et al. (2015) o ligante asfáltico sofre processos de
envelhecimento em duas fases: a curto e a longo prazo. Esses processos envolvem
fenômenos muito complexos que ocorrem devido a muitos fatores. O
envelhecimento a curto prazo, consiste na exposição do ligante asfáltico a altas
temperaturas e alto grau de exposição ao ar durante a produção de asfalto quente,
antes que seja exposto ao meio ambiente. A fase de envelhecimento a longo prazo
ocorre com o pavimento em serviço a uma temperatura relativamente mais baixa por
um longo período. Durante a fase de produção, a perda de elementos voláteis do
ligante asfáltico e a oxidação progressiva do pavimento em serviço são os principais
motivos pelos quais a mistura asfáltica torna-se rígida. Com esse processo há
também aumento na viscosidade do ligante, que contribui para o enrijecimento das
misturas (BROWN, 2000).
No processo de usinagem, os agregados tem a sua superfície coberta por
uma fina película de ligante asfáltico. Essa película é formada por reações químicas
43
desse ligante com o oxigênio do ar. A espessura dessa película vai interferir na
flexibilidade e durabilidade das misturas, quanto mais espessa maior serão esses
valores, enquanto que películas menos espessas formarão misturas frágeis e
quebradiças que tendem a trincar (KANDHAL & CHAKRABORTY, 1996).
De acordo com Tonial (2001), há fatores importantes no envelhecimento de
longo prazo, como teor de vazios, espessura da película, absorção do agregado e a
espessura do revestimento asfáltico. O teor de ligante e o de vazios da mistura e a
sua mudança no teor de vazios da misturas devido a densificação do tráfego são
também fatores que influenciam no envelhecimento e o processo de oxidação
depende da espessura do revestimento asfáltico.
O processo de envelhecimento pode trazer benefícios para a mistura
asfáltica, pois a enrijece e pode melhorar as propriedades de distribuição de carga e
resistência à deformação permanente. No entanto, ao mesmo tempo, também pode
resultar em fragilização que aumenta a tendência do pavimento se quebrar e perder
a sua durabilidade em termos de resistência ao desgaste (BROWN, 2000).
2.5. Métodos de Ensaios Laboratoriais
2.4.1. Resistência à Tração
O ensaio de resistência à tração por compressão diametral, o brazilian test, foi
criado pelo professor Fernando Luiz Lobo Carneiro, da UFRJ, em 1943, atualmente
usado no mundo inteiro (Carneiro, 1947). Inicialmente desenvolvido para o concreto,
os corpos de prova de forma cilíndrica são expostos a cargas estas que devem ser
aplicadas em direções diametralmente opostas, segundo um plano radial (BALBO,
2007).
De acordo com a American Society for Testing of Materials (ASTM), o
resultado do ensaio brasileiro de resistência à tração representa normalmente um
valor superior ao da resistência à tração direta do material. (ASTM,2008) Luong
(1990), porém, mostrou que alguns estudos apresentaram valores de resistências
obtidas indiretamente superiores em mais de 50% àquelas obtidas diretamente
(Hawkes & Mellor, 1970; Wright, 1955).
Nos pavimentos, surgem pressões verticais oriundas de esforços externos
44
aplicados pelas rodas dos veículos. Desse modo, os pavimentos são submetidos a
flexão, cisalhamento, compressão vertical e horizontal. No que diz respeito a
compressão vertical, ocorre com esse tipo de esforço o afastamento das partículas,
ocasionando tração e compressão nas zonas de contato entre agregados e ligantes.
Com a repetição das deformações de tração, surgem deformações plásticas ou
microfissuras nestas zonas, podendo levar os materiais a um estado de fadiga ou
ruptura. A ruptura pode ser medida por meio do ensaio de compressão diametral,
com a força ou pressão que causa a ruptura formando um arranjo que permite impor
um plano de ruptura idêntico ao plano de aplicação de carga (BALBO, 2007).
2.4.2. Módulo de Resiliência
Segundo Francis Hveem (1955), a resiliência pode ser definida classicamente
como “energia armazenada num corpo deformado elasticamente, a qual é devolvida
quando cessam as tensões causadoras das deformações”. É importante destacar
que o termo módulo de resiliência foi criado para que não haja confusão com o
módulo de Young, cuja determinação é realizada estaticamente (Hveem, 1955).
Na determinação do módulo de resiliência há métodos nacionais e
internacionais mais relevantes, os quais têm diferenças baseadas na temperatura do
ensaio, frequência, duração do pulso de carga, modo de contato dos leitores das
deformações, número dos ciclos de carregamento, carga utilizada e coeficiente de
Poisson (BRITO & GRAEFF,2008).
2.5. Dosagem Superpave
O Programa Estratégico de Pesquisa Rodoviária (SHRP) foi iniciado em
1988 com objetivo de desenvolver uma metodologia de mistura melhorada. Os
procedimentos de implementação da metodologia Superpave deu-se em 1997 nos
Estados Unidos, obtendo grande aceitação pelos departamentos estaduais de
transporte (WILLIAM, 2004).
45
A fim de melhorar o desempenho, durabilidade, segurança e Eficiência das
misturas de asfalto, a Strategic Highway Research Programa (SHRP), criada em
1987, propôs o sistema Superpave em 1993. Superpave incluiu um conjunto de
avanços significativos nas metodologias utilizadas para classificar pastas de asfalto
e para projetar misturas de asfalto. Além disso, o sistema Superpave definiu as
chamadas propriedades de consenso e fonte de partículas de agregados (ARAGÃO
et al., 2016).
Pode-se destacar como maior distinção entre esse novo método e a
dosagem Marshall, o modo como ocorre a compactação do corpo de prova. Na
dosagem Marshall, a compactação é realizada por impacto, por meio de golpes,
enquanto que na dosagem Superpave, a mesma é feita por amassamento, através
pressão sob movimento rotatório (YILDIRIM et al, 2000).
Em pesquisas sobre equipamentos de compactação de laboratório, houve
avaliação de vários tipos desses dispositivos. Com isso, foram reconhecidos os
benefícios dos compactadores giratórios, que passaram a ser adotados na
Superpave (RUSHING, 2011). O Compactador Giratório Superpave (SGC) é um
dispositivo que tem função de produzir corpos de prova para ensaios, de modo a
simular o efeito do tráfego da forma mais fiel em um pavimento asfáltico, produzindo
materiais que acomodem os agregados graúdos e permitindo a monitoração da
densificação durante a compactação (BAYOMY,2004).
Yildirim et al. (2000) destacam que na metodologia Superpave, as misturas
asfálticas são projetadas para um nível específico de compactação, denominado n
projeto. Esse valor depende do clima em que a mistura será executada e do nível de
tráfego.
Conforme o Instituto do Asfalto (2002), testes de desempenho e modelos de
previsão de desempenho foram de grande relevância metodológica em pesquisas da
SHRP. É relevante salientar que os dados provenientes destes testes são usados
nas previsões do desempenho real do pavimento. Procedimentos de testes e
modelos de previsão de desempenho foram desenvolvidos para permitir a estimativa
do desempenho da vida útil da mistura, de forma a resistir a falhas como deformação
permanente, trincamento por fadiga e trincamento à baixa temperatura.
Portanto, ao se comparar as dosagens, Marshall e a Superpave, detecta-se
algumas diferenças quanto a granulometria, a compactação e o envelhecimento da
mistura. A granulometria da mistura mineral deve passar entre pontos de controle
46
(PC), e não deve ultrapassar a zona de restrição (ZR), que pode ser representada
por meio de um gráfico, com o eixo das ordenadas a porcentagem passante em
peso relativa a uma determinada peneira (escala aritmética) e no eixo das abcissas
a abertura das peneiras elevadas à potência de 0,45mm. A compactação, que é por
amassamento realizada pelo CGS (Compactador Giratório Superpave), acaba por
simular da forma mais adequada as condições de campo. No caso do
envelhecimento, este simula a usinagem.
Figura 10: Pontos de Controle para seleção granulométrica Superpave TMN
12,5mm
47
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A mistura asfáltica do tipo Concreto Asfáltico é constituída usualmente de
ligante asfáltico, agregados graúdo e miúdo e fíler. Neste trabalho, empregou-se os
seguintes materiais: cimento asfáltico de petróleo (CAP), agregado graúdo
alternativo Agregado Sinterizado de Argila Calcinada (ASAC), areia residual como
material miúdo e cimento Portland como fíler. A figura 11 mostra o fluxograma da
metodologia utilizada para a pesquisa da mistura asfáltica empregada na pesquisa.
Figura 11: Fluxograma da Metodologia
48
3.1. Materiais
3.1.1 Ligante Asfáltico
O ligante betuminoso utilizado é classificado como Cimento Asfáltico de
Petróleo (CAP 50/70), comercializado na região pela Refinaria Isaac Sabbá
(REMAN), oriundo dos petróleos do Campo Fazenda Alegre, no Estado do Espírito
Santo, e do Ceará-mar, no Estado do Ceará.
A Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), é
encarregada pela regulamentação dos produtos. Desse modo, a caracterização do
ligante é fornecida pelo fabricante conforme ensaios prescritos pela resolução da
mesma agência regulamentadora. Esses testes podem ser definidos como:
Penetração, Ponto de Amolecimento, Viscosidade, Índice de Suscetibilidade, Ponto
de Fulgor, Solubilidade de Tricloroetileno, Ductilidade e Penetração.
O ensaio de Penetração (ASTM, 1997), realizado a 25°C, é o parâmetro
empregado para a seleção de classes do Cimento Asfáltico de Petróleo, significando
uma maior consistência do cimento asfáltico relacionada a uma menor penetração.
Já os outros ensaios descritos na norma, estabelecem condições mínimos para
utilização do ligante.
Figura 12: CAP 50/70 em aquecimento
Fonte: Autor
49
3.1.2. Agregados
As misturas asfálticas foram compostas por: i) agregados graúdos (o ASAC,
como material tradicional), confeccionado a partir de processos industriais; ii)
agregado miúdo, areia residual, também fornecido pela na usina de asfalto da
Empresa ETAM, lograda na Av. Margarita 2, Nova Cidade, no Município de Manaus;
iii) material de enchimento, o cimento Portland CP II-Z-32, usualmente utilizado na
construção civil regional; iv)aditivo ao ligante, nanomaterial de multicamadas de
grafeno, proveniente da moagem do grafite, doado pela empresa Nacional Grafite
LTDA, localizada na Av. Paulista, 460, 11ª Andar. Bela Vista. São Paulo.
3.1.2.1. Agregado Graúdo
O solo utilizado na produção do Agregado Sinterizado de Argila Calcinada é
proveniente da província petrolífera de Urucu (Amostra SUC), localizada no
munícipio de Coari, estado do Amazonas, a cerca de 650km de Manaus (FROTA et
al, 2004b). Já nos primeiros trabalhos realizados pelo Grupo de Geotecnia
(GEOTEC) da Universidade Federal do Amazonas foram obtidos bons desempenhos
mecânicos, quando a produção ainda se dava manualmente (SILVA, 2011).
Figura 13- Amostra SUC
Fonte: SILVA, 2011
50
Os primeiros trabalhos desenvolvidos com o ASAC eram realizados
manualmente e consistia nas etapas de i) homogeneização da amostra com água; ii)
moldagem de massas de solo no formato cilíndrico para corte em telas; iii) secagem
dos agregados à sombra; iv) Acondicionamento dos agregados em jarros cerâmicos;
v) calcinação em forno elétrico, a aproximadamente 900°C. No entanto, essa
produção manual dos agregados de argila calcinada apresentava alguns problemas.
A granulometria era contínua dificultando o enquadramento nas faixas
granulométricas do DNIT ou Metodologia Superpave, além de ser um processo lento
com obtenção de pequenas quantidades de material, demandando muito tempo no
processo produtivo (FROTA et al. 2004b e SILVA, 2011).
Devido aos problemas mencionadas, optou-se por industrializar o processo de
produção do ASAC, que foi realizado em indústria de cerâmica equipada para
fabricação de produtos cerâmicos como tijolos e telhas. A produção do agregado
seguiu as seguintes etapas: i) inserção de amostra em silo com auxílio de pá
carregadeira; ii) trituração; iii) homogeneização com adição de água; iv) moldagem
de tijolos maciços; v) secagem em túnel; vi) calcinação em fornos abóboda com
temperatura máximo de 900°C; vii) britagem dos tijolos para obtenção dos ASAC.
Figura 14- Inserção de amostra em silo com auxílio de pá carregadeira
(Esquerda) / Amostra sendo introduzida no triturador (Direita)
Fonte: SILVA, 2011
51
Figura 15- Secagem dos tijolos em sistema de túnel (direita) / ASAC obtido
após britagem (esquerda)
Fonte: SILVA, 2011
Os agregados graúdos de ASAC inicialmente foram estudados por meio do
ensaio de peneiramento, com base na norma americana ASTM C136, 2006, que
auxilia na delimitação da granulometria da mistura asfáltica do tipo CA.
Os agregados também foram avaliados quanto aos seguintes parâmetros:
Gsa (Apparent Specific Gravity), Gsb (Bulk Specific Gravity), Gsbssd (Bulk Specific
Gravity in the condition Saturated Surface Dry), absorção (ASTM C127, 2012),
massas específicas (Wur – Rodded Unit Weight eWul – Loose Unit Weight) de
acordo com AASHTO T19 (2009).
É importante salientar que a absorção é a representação do aumento da
massa do agregado devido aos poros permeáveis à água. Desse modo, é um
parâmetro de extrema relevância para representar o consumo do ligante pelo
agregado. Em vista disso, a absorção e densidade são calculadas pelas relações
entre as massas secas (A), superfície saturada seca (B) e submersa (C), mostradas
abaixo:
B - AAbsorção = 100 (%)
A (1)
sa
AG =
A - C (2)
sb
AG =
B - C (3)
52
ssdsb
BG =
B - C (4)
Destaca-se que a granulometria do material cerâmico teve como referência a
textura recomendado pela National Asphalt Pavement Association (NAPA, 2002).
Esses materiais graúdos também foram caracterizados quanto às suas
Massas Específicas Solta e Compactada, segundo a norma AASHTO T19 (2009), e
calculadas pela equação abaixo:
agregado
G -T=
V (5)
agregado – massa específica agregado graúdo;
G – massa do agregado mais o recipiente;
T – massa do recipiente;
V – volume do recipiente.
Examinou-se também a adesividade (DNER-ME 078/94) dos agregados
pétreos a qual mostrou satisfatoriedade quanto ao potencial do material pétreo
aderir à película de ligante, que vai depender das propriedades da superfície do
agregado e da composição química do ligante.
Figura 16- Agregado ASAC antes do
fracionamento
Fonte: Autor
53
Figura 17- ASAC SUC (Após o Fracionamento)
Fonte: Autor
b) Agregados Miúdos
O agregado miúdo também se submeteu ao ensaio de granulometria,
preconizado pela ASTM C136, 2006, com a determinação dos parâmetros: Gsa
(Densidade real), Gsb (Densidade aparente) e absorção (ASTM C128, 2012), e pela
massa específica compactada (Rodded Unit Weight) seguindo a AASHTO T19/T19
M-93 ,1997.
Figura 18: Areia Manaus
Fonte: Autor
54
c)Filer
No caso do material fíler, examinou-se pela massa específica real,
preconizado pela norma DNER ME 085, 1994 e pela granulometria baseada na
norma DNER EM 367, 1997.
3.1.3. Nanomaterial de Multicamadas de Grafeno
O nanomaterial proveniente do grafite também participou da mistura asfáltica,
na condição de modificador do ligante asfáltico. Antes de ser misturado ao asfalto, o
grafite passou pelo processo de moagem, por 4 horas, até chegar a condição de
nanomaterial, o qual misturou-se ao ligante asfáltico aquecido e só então foi
adicionado a mistura asfáltica. O método de produção de material de multicamadas
de grafeno está ilustrado nas Figuras 19-21.
A moagem do material realizou-se pelo equipamento SPEX SamplePrep
8000-series Mixer/Mills, do tipo de alta energia, com frasco do tipo vasilha com uma
ou mais bolas, de motor com 1/3 Hp de potência e frequência de 1425 RPM (Figura
19).
Figura 19: Moinho de alta energia
55
Fonte: Autor
Figura 20: Grafite antes da moagem
Fonte: Autor
Figura 21: Grafite após 4h de moagem
56
Fonte: Autor
O resultado da moagem (Figura 20-21) foi então caracterizado por meio do
ensaio de difração de raios x, para a comprovação da característica nanométrica do
modificador do ligante.
3.2. Métodos
3.2.1. Misturas Asfálticas
A mistura asfáltica do tipo CA, no que concerne aos agregados, teve suas
faixas granulométricas máximas e mínimas, baseadas nas informações da tabela 4,
Norma AASHTO MP 8-02, devendo ser adotado como tamanho máximo nominal de
12,5 mm.
3.2.3 Dosagem das Misturas Asfálticas
A dosagem das misturas asfálticas se deu através do produto da mistura de
agregados de vários tamanhos e o cimento asfáltico de petróleo. Nesta pesquisa,
realizou-se os ensaios com o Concreto Asfáltico, que é o tipo de revestimento
asfáltico mais empregado no país. Inicialmente, os agregados menores preenchem
os vazios provenientes dos agregados maiores, o que proporciona uma mistura
57
densa, adicionando a esta, o filer mineral. A dosagem mineral é o nome dado à
mistura adequada composta pelos agregados graúdos, miúdos e filer. No intuito de
completar o compósito asfáltico é que se adiciona o ligante, no qual o seu valor
apropriado é denominado de teor de projeto ou teor ótimo.
3.2.3.1. Dosagem Mineral
A Metodologia seguida ao longo do trabalho foi Superpave, essa
metodologia foi desenvolvida com base em dados obtidos amplamente a partir de
rodovias com volume de médio a alto. (KIM et al., 2009). É resultante do programa
SHRP, no qual estabelece uma faixa granulométrica, que deve limitar-se na área dos
pontos de controle, que são função do Tamanho Máximo do agregado (SHRP,
1994a, 1994b).
Para TMN 12,5mm, os pontos de controle estão mostrados na tabela 3.
Conforme Marques (2004), a distribuição granulométrica passa entre os PCs (Pontos
de controle) e evitar a ZR (Zona de Restrição).
Tabela 3: Composição da Faixa Granulométrica Superpave TMN 12.5mm
Peneira (mm)
% passando, em peso
Pontos de Controle
Zona de Restrição
Inferior Superior Inferior Superior 25,0 - - - - 19,0 100 - - - 12,5 90 100 - - 9,50 - 90 - - 4,75 - - - - 2,36 28 58 39,1 39,1 1,18 - - 25,6 31,6 0,60 - - 19,1 23,1 0,30 - - 15,5 15,5 0,15 - - - -
0,075 2 10 - -
Fonte: (Norma AASHTO MP 8-02).
3.2.3.2. Teor de Projeto
58
As propriedades mecânicas das misturas asfálticas dependem em grande
parte do tipo e da quantidade de asfalto usado (Krishnan, 2003). Segundo Harvey e
Tai (2003) com o aumento do teor de asfalto numa mistura asfáltica pode-se obter
maior vida de fadiga, visto que esse tipo de problema pode surgir em revestimentos
asfálticos com baixos teores de ligante asfáltico. Em contrapartida, valores em
excesso de ligante podem ocasionar em maiores deformações, com a ocorrência de
exsudação do ligante. Desse modo, a determinação do teor de asfalto é de extrema
importância na execução de um revestimento asfáltico, que deve manter o equilíbrio
entre diversos fatores, sendo também designada de teor ótimo.
No estudo em questão, na determinação do teor de projeto, empregou-se a
metodologia Superpave. Conforme Yldrim et al. (2000), a maior distinção entre esse
novo método e a dosagem Marshall, é o modo como ocorre a compactação do corpo
de prova. Na dosagem Marshall, a compactação realizada por impacto, por meio de
golpes, enquanto que na dosagem Superpave, a mesma é feita por amassamento,
através pressão sob movimento rotatório com auxílio do Compactador Giratório
Superpave-CGS.
Figura 22: Preparo Corpo de Prova de Concreto Asfáltico com ASAC
Fonte: Autor
59
3.2.3.3. Dosagem Superpave
A dosagem SUPERPAVE foi executada, em consonância com as etapas
previstas em norma. De inicio escolheu-se três composições granulométricas,
reproduzindo para cada uma delas dois corpos de prova;
Os parâmetros de compactação referentes ao número de giro (inicial, de
projeto e máximo), são definidos em função do tráfego, descrito na Tabela 4:
Tabela 4: Número de giros x tráfego (ASTM D 6925).
Tráfego N AASHTO x 106
Parâmetros de
compactação
Nini Ndes Nmáx
< 0,3 6 50 75
0,3 a 3 7 75 115
3 a 30 8 100 160
> 30 9 125 205
Preparou-se a amostra com as porcentagens adequadas de cada material
integrante, após o aquecimento do ligante na viscosidade apropriada para a
composição (ASTM D 6925).
No tocante a execução da mistura modificada, previamente o nanomaterial
proveniente do grafite, das multicamadas de grafeno foi adicionado ao ligante
aquecido, misturado de tal forma que se evitasse a formação de grumos de grafite,
para a melhor distribuição possível na mistura asfáltica. Posteriormente, o processo
de mistura de todos os constituintes, foi realizado manualmente, com aquecimento
do tacho, procurou-se homogeneizar do melhor modo a mistura e todos os seus
constituintes, inclusive o nanomaterial de multicamadas de grafeno empregado como
modificador do ligante e desse modo, minimizando dessa forma, a aglomeração na
mistura.
Realizou-se o condicionamento térmico por duas horas em estufa na
temperatura de compactação, que se refere ao envelhecimento da mistura asfáltica,
correspondendo a simulação do que ocorre na realidade, da produção da massa
60
asfáltica até aplicação na pista, para a mistura modificada com multicamadas de
grafeno e a mistura de referência.
Para a mistura de referência separou-se todo o material com as
porcentagens adequadas e ligante previamente aquecido, misturou-se todos os
constituintes e após o ligante envolver todos os agregados e estar na temperatura
adequada, também se realizou o condicionamento térmico por duas horas em
estufa, referindo-se ao envelhecimento da mistura.
No que concerne à mistura não envelhecida, seguiu-se os mesmos passos
da de referência com exceção do condicionamento térmico por duas horas, a sua
compactação foi realizada de imediato.
Para os três tipos de misturas, a não envelhecida de imediato e a de
referência e a modificada após o envelhecimento, colocou-se a mistura no molde
metálico, que também estava na temperatura de compactação, sendo o mesmo
levado ao Compactador Giratório Superpave, mostrado na figura 23, o qual foi
compactado.
Realizou-se a compactação por amassamento, para cada número de giro
desejado (inicial, projeto e máximo), e anotou-se a altura correspondente do corpo
de prova.
Após a compactação, retirou-se o corpo de prova do molde e determinou-se
a densidade aparente (Bulk Specific Gravit – Gmb), seguindo a norma ASTM D 1188
ou ASTM D 2726 (material absorvivo)
Determinou-se também a densidade máxima da mistura (Maximum Specific
Gravity – Gmm) de acordo com a norma ASTM D 2041 e em seguida definiu-se os
parâmetros volumétricos da mistura, conforme os valores de Gmb e Gmm, sendo o
principal deles relacionado ao volume de vazios (Vv) igual a 4%, referente à
compactação com o número de giros do projeto (Ndes).
Ainda se calculou: Vazios do Agregado Mineral (VAM), Relação Betume
Vazios (RBV), percentual de compactação ao número de giros inicial (Ninicial) e
máximo (Nmáximo) e proporção pó/asfalto efetiva (RPB), descritos na tabela 5.
Finalmente, o teor de projeto da mistura deveria atender a todos os requisitos
concomitantemente. Como não ocorreu, teve-se que alterar a estimativa inicial da
porcentagem de ligante ou da dosagem mineral e realizou-se uma nova tentativa.
61
Tabela 5: Parâmetros para dosagem Superpave.
Tráfego N x 106
AASHTO
Densidade relativa requerida
Vazios do agregado mineral (VAM) [% mínima] Relação
betume/vazios (RBV)
[%]
Relação pó/betume
efetivo [%]
% Gmm Tamanho Máximo Nominal (TMN)
[mm]
Nini Ndes Nmáx 37,5 25 19 12,5 9,5 4,75
< 0,3 91,5 96,0 98,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 70 80,0 0,6 1,2
0,3 a 3 90,5 96,0 98,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 65,0 78,0 0,6 1,2
3 a 10 89,0 96,0 98,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 65,0 75,0 0,6 1,2
10 a 30 89,0 96,0 98,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 65,0 75,0 0,6 1,2
> 30 89,0 96,0 98,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 65,0 75,0 0,6 1,2
Fonte: NAPA (2002)
Figura 23: Compactador Giratório
Superpave
Fonte: Autor
3.3. Ensaios Mecânicos
O comportamento mecânico das misturas asfálticas depende dos materiais
que as constituem, assim como da proporção de cada um deles. Há mudança no
62
seu comportamento ao longo do tempo, decorrente do envelhecimento do ligante
asfáltico do revestimento, decorrente também da mudança de estrutura interna. Na
avaliação da mistura asfáltica empregada no trabalho, os testes mecânicos que
foram realizados dizem respeito à Resistência a Tração e o Módulo de Resiliência.
3.3.1. Resistência à tração
O valor da resistência à tração da presente pesquisa foi determinado
conforme preceitos normativos (DNIT 136/2010-ME). As temperaturas utilizadas
foram 25 °C, 40°C e 60 °C. Deve ficar claro que a temperatura de 25°C representa a
norma brasileira, enquanto que 40°C e 60°C simularam as condições dos
revestimentos asfálticos em Manaus (PICANÇOet al, 2011).
Os corpos de prova, 3 para cada temperatura, elaborados de acordo com os
teores de projeto, foram submetidos a uma carga estática (P), no sentido diametral,
com velocidade de 0,8 mm/s, até que atingissem a ruptura. Cabe destacar que a
realização do ensaio foi acompanhada pelo software UTS002 3.12 Stress Strain
Test, que faz o cálculo da RT pela equação abaixo:
(6)
σt– Resistência à tração, em MPa
P – Carga de ruptura, em N
D – Diâmetro do corpo de prova, em cm
h – Altura do corpo de prova, em cm.
Figura 24: Ensaio de Resistência à tração na UTM 14
63
Fonte: VALENÇA, 2012
Figura 25: Fluxograma adotado para o ensaio de Resistência à Tração
Dentre os procedimentos para o ensaio de Resistência á Tração por
Compressão Diametral (DNIT 136/2010-ME), pode-se mencionar inicialmente i)
64
confeccionou-se os corpos de prova de acordo com a dosagem estudada; ii)
determinou-se as medidas de altura e diâmetros dos corpos de prova; iii) centralizou-
se os corpos de prova na base apoio, com colocação do friso metálico, para levar o
conjunto até a prensa; iv) Desceu-se o pistão até que pudesse entrar em contato
com o friso metálico, v) Inseriu-se os dados da amostra no software; vi)Acionou-se o
equipamento. Com a realização do procedimento, a carga foi aplicada
progressivamente até que o corpo de prova atingisse a sua ruptura, tudo
acompanhado pelo software. Os dados referentes à ruptura foram anotados e
procedeu-se com o cálculo, conforme fórmula descrita na equação 1.
Para os ensaios realizados em outras temperaturas, diferentes da
temperatura ambiente de 25°C, fechou-se o equipamento UTM14, acionando-se o
controle de temperatura da câmara ambiental na temperatura do ensaio (40°C e
60°C) até que houvesse o equilíbrio térmico dos corpos de prova. Para os ensaios
na temperatura de 60°C, os corpos de prova de compósitos asfálticos foram
deixados em estufa até atingirem a temperatura do ensaio, executando-se o teste
com a câmara de temperatura também acionada. É importante salientar que ao
longo do ensaio as medidas das temperaturas foram aferidas para garantir as
temperaturas desejadas para o experimento.
3.3.2. Módulo de Resiliência
Nesta pesquisa, o módulo de resiliência foi calculado com o software
UTS003 1.41 Indirect Tensile Modulus Test conforme as normas ASTM D4123
(1995) e AASHTO TP-31-96 (2000). Com esse programa foi possível calcular o MR
com a equação 2, baseada no modelo de Hondros (BRITO& GRAEFF, 2008), o qual
se considera a carga como distribuída (friso), ao invés de uma carga pontual.
Também segundo Brito & Graeff (2008) na aferição do módulo de resiliência são
descritos métodos nacionais e internacionais que se diferenciam por alguns
aspectos do ensaio, como temperatura do ensaio, frequência, duração do pulso de
carga, modo de contato dos leitores das deformações, número dos ciclos de
carregamento, carga utilizada e coeficiente de Poisson, respectivamente
apresentados na Tabela 6.
65
MR= ( (7)
MR – Módulo de resiliência, em MPa
P – % da força axial da resistência à tração, em N
∆ – Deslocamento medido, em mm
h – Média da altura do corpo de prova, em mm
v – Coeficiente de Poisson
Figura 26: Ensaio de Módulo de Resiliência na UTM 14
66
Fonte: VALENÇA, 2012
TABELA 6: Especificações dos Protocolos para ensaio de Módulo de Resiliência
Protocolos ˚C Frequência
(Hz) Tempo da Carga (s)
Leitores das Deformações
Ciclos Carga Poisson
()
AS 2891.13.1
25 NI 0,004 Suporte NI ∆ = 0,005
±2mm NI
ASTM D4123
5, 25, 40
0,33; 0,5; 1 0,1 a 0,4 Suporteou
colado 50 a 200
RT = 10% a 50%
NI
AASHTO TP-31-96
5, 25, 40
1 0,1 Suporte ≥ 30 RT = 5%, 15%, 30%
(25˚C)
0,10 a 0,50
LTPP P07 5, 25,
40 1 0,1
Colado nas faces
20-150 ∆ =
0,038mm 0,10 a 0,50
1-28-A DO NCHRP
25 1 0,1 Colado nas
faces NI
RT = 15% (25˚C)
0,25 a 0,45
BSI DD 213
2, 10, 20
0,33 0,124 ± 0,004
Suporte NI ∆ = 0,005
±2mm 0,35
EN 12697 26/2004
2, 10, 20
NI 0,124 ± 0,004
Suporte NI ∆ = 0,005
±2mm 0,35
DNER 135/10
25 NI NI Suporte NI NI 0,30
Figura 27: Fluxograma adotado para o ensaio de Módulo de Resiliência
Fonte: BARBOSA, 2016
67
No que concerne aos procedimentos adotados para o ensaio de Módulo de
Resiliência, foram seguidas algumas etapas após a confecção dos corpos de prova:
i)Mediu-se as alturas e os diâmetros dos corpos de prova; ii)Encaixou-se as
molduras de apoio dos LVDT´s, fixando-a e prendendo ao corpo de prova; iii)
Inseriu-se o friso metálico superior e leva-se o conjunto para a prensa; iv) Inseriu-se
os dados da amostra no software, selecionando os protocolos adotados, para o
trabalho, ASTM D4123-82//AASHTO_TP31 e os parâmetros de controle como
temperatura (40°C e 60°C), tempo de pulso de aplicação da carga (100), tempo total
de um ciclo do pulso, quantidade de pulsos de condicionamento (1000),coeficiente
de Poisson (adotado 0,35) e a porcentagem de RT previamente calculada (10%,
20% e 30% da Resistência à Tração).
Levando-se em conta os protocolos definidos, os corpos de prova foram
submetidos aos esforços de 10%, 20% e 30% da Resistência à Tração determinada,
com frequência de 1Hz, período de carregamento de 0,1s e descarregamento 0,9s.
Os dois sensores LVDT´s registraram os deslocamentos horizontais que ocorreram
com a aplicação da força, ajustados e fixados com auxílio dos parafusos de ajuste
fino e dado início do ensaio.
Os testes foram realizados em duas temperaturas, para uma dada
temperatura, acionou-se o controle de temperatura da câmara ambiental até que o
corpo de prova pudesse atingir o equilíbrio térmico, controlando-se a temperatura
durante todo o ensaio. Ao final do ensaio, o valor do módulo de resiliência foi dado
diretamente pelo software, que corresponde a média aritmética dos cinco últimos
pulsos de carregamento, que forneceu o resultado para cada percentual da
Resistência à Tração requerido.
68
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste Capítulo apresentam-se os resultados e a discussões dos ensaios que
foram descritos na metodologia deste trabalho: a caracterização dos materiais
partícipes das misturas asfálticas, a dosagem das misturas asfálticas e a
caracterização mecânica, por meios dos ensaios de Resistência à Tração e Módulo
de Resiliência.
4.1. Caracterização dos Materiais
4.1.1 Ligante Asfáltico
Os ensaios de caracterização relacionados ao ligante asfáltico, segundo
especificação 095/2006 do DNIT, podem ser observados na tabela 7, que mostram
características como penetração, ponto de amolecimento e solubilidade em
tricloroetileno.
69
Concernente as considerações sobre os ligantes asfálticos, na pesquisa foi
empregado o CAP 50/70, que é o cimento asfáltico utilizado costumeiramente nas
obras de pavimentação na cidade de Manaus, com a caracterização mostrada nas
tabelas 8 e 9 e figura 28. Elas mostram que: 1) à 25°C a penetração forneceu
resultado igual a 69 mm; 2) os valores do ponto de amolecimento e da solubilidade
em tricloroetileno estão próximos dos descritos pela ANP; 3) o ponto de fulgor
apresenta resultado superior ao da norma, demonstrando uma maior segurança
para se trabalhar o ligante; 4) a ductilidade possui boa consistência; 5) a viscosidade
a 135°C e 150°C, apresentou valores elevados ao ser comparada com a do material
referência, estando, porém, de acordo com o recomendado a temperatura de
177°C; 6) os valores característicos para tempos posteriores ao processo de
envelhecimento das amostras, em estufa de filme fino rotativo (RTFOT), está
conforme a norma, exceção apenas para a Penetração Retida. Desse modo, o CAP
estudado atendeu as exigências normativas.
Tabela 7: Especificação Brasileira CAP (DNIT 095/2006-EM)
Tabela 8: Caracterização do Ligante Asfáltico
Características Método Unid ANP (2005) CAP 50/70
CAP 50/70
Características Und
Limites
CAP 30 45
CAP 50 70
CAP 85 100
CAP 150 200
Penetração (100 g, 5s, 25ºC) 0,1mm 30 45 50 70 85 100 150 200 Ponto de amolecimento, mín ºC 52 46 43 37
Viscosidade SayboltFurol a 135 ºC, mín s 192 141 110 80 a 150 ºC, mín s 90 50 43 36
a 177 ºC s 40 150 30 150 15 60 15 60 Viscosidade Brookfield
a 135ºC, mín cP 374 274 214 155
a 150 ºC, mín. cP 203 112 97 81 a 177 ºC, mín cP 76 285 57 285 28 114 28 114
Índice de susceptibilidade térmica (1,5) a (+0,7)
(1,5) a (+0,7)
(1,5) a (+0,7)
(1,5) a (+0,7)
Ponto de fulgor mín ºC 235 235 235 235
Solubilidade em tricloroetileno, mín %
massa 99,5 99,5 99,5 99,5
Ductilidade a 25º C, mín cm 60 60 100 100
Variação em massa, máx %
massa 0,5 0,5 0,5 0,5
Ductilidade a 25º C, mín cm 10 20 50 50 Aumento do ponto de amolecimento,
máx ºC 8 8 8 8
Penetração retida, mín % 60 55 55 50
FONTE – DNIT, 2006
70
Penetração D5 0,1 mm 50-70 69
Ponto de amolecimento D36 °C 46 49,7
Ponto de fulgor D92 °C 235 318
Solubilidade em tricloroetileno D2042 % massa 99,5 99,9
Ductilidade D113 cm 60 > 100
Densidade relativa a 20/4C D70 N/A - 0,998
Tabela 9 - Viscosidades e Parâmetros (após Envelhecimento) do Ligante Asfáltico
Características Método
Unid ANP (2005)
CAP 50/70 CAP 50/70
Viscosidade Saybolt Furol a 135°C E 102
s 141 283
Viscosidade Brookfield a 135°C D4402
cp 274 539
Viscosidade Saybolt Furol a 150°C E 102
s 50 140,7
Viscosidade Brookfield a 150°C D4402
cp 112 279,8
Viscosidade Saybolt Furol a 177°C E 102
s 30-150 50,8
Viscosidade Brookfield a 177°C D4402
cp 57-285 96,8
RTFOT variação em % massa D2872
% 0,5 0,04
RTFOT aumento do ponto de amolecimento D36
°C 8 7,1
RTFOT penetração retida D5
% 55 63
Figura 28: Ensaio de Penetração
Fonte: Autor
71
4.1.2 Agregados
Os agregados empregados nessa pesquisa são os mesmos empregados por
Silva (2014) e Silva (2013), objetivando dar continuidade aos estudos do emprego
do material alternativo ASAC, produzido com base em processos industriais,
descritos na metodologia deste trabalho. Desse modo, a caracterização física dos
agregados está disposta nas tabelas seguintes, já disponíveis nos trabalhos citados:
Tabela 10: Caracterização Física dos agregados
Análise Amostra ASAC SUC AREIA MAO
Gsb(g/cm³) 1,855 2,632 Gsbssd(g/cm³) 2,133
Gsa(g/cm³) 2,571 2,692
Absorção (%) 15 0
Wul (kg/m³) 1062
Wur (kg/m³) 1126,35 1676
Adesividade Satisfatória
Tabela 11: Distribuição Granulométrica Agregado Graúdo (ASAC) e Agregado Miúdo
(Areia Manaus)
Abertura(mm) Porcentagem que passa ASAC Areia MAO
25 100 100 19 97,9 100
12,5 73,7 100
9,5 58,5 100
4,75 16,8 99,8
2,36 3,5 98,8
1,18 2,2 94,6
0,6 1,7 77,9
0,3 1,4 35,6
0,075 0,4 2,6
O material de enchimento empregado na mistura asfáltica foi o cimento
Portland do tipo CPII-Z-32, o qual atendeu todos os limites da especificação
estabelecida, que pode ser verificado na tabela 12, com massa específica real igual
a 3,15 g/cm³.
72
Tabela 12: Especificação material de enchimento
Abertura da malha (mm)
% em peso, passando
Especificação Cimento Portland
0,42 100 100
0,18 95-100 100
0,075 65-100 100
4.1.3. Nanomaterial de Multicamadas de Grafeno
O difratograma da figura 29 representa o nanomaterial de multicamadas de
grafeno, que foi adicionado ao ligante asfáltico para sua modificação, e
acrescentado posteriormente na mistura asfáltica. Esse material passou pelo
processo de 4 horas de moagem, tendo sido empregado na proporção de 4% do
ligante asfáltico, o que resultou nessas características que podem ser visualizadas
naquela figura.
Figura 29: Difratograma Nanomaterial de multicamadas de grafeno
Ao se comparar com os demais tempos de moagem, através do difratograma
da figura 30, nota-se que os seus picos apresentam alargamento, o que demonstra
73
que o material se torna nanométrico, é o que pode ser notado no ângulo 2
aproximadamente 26,2°.
Figura 30: Difratograma diversos tempos de moagem do Grafite
4.2. Dosagem da Mistura Asfáltica
Conforme a norma do DNIT para a determinação da resistência à Tração por
Compressão Diametral, o corpo de prova confeccionado destinado a esse ensaio
teve forma cilíndrica, com altura entre 3,5cm a 6,5 cm e diâmetro de 10cm, com
variação de 2mm para mais ou para menos. Na compatibilização das dimensões do
corpo de prova à granulometria fixou-se o tamanho máximo do agregado em
12,5mm.
Notando-se que o tamanho máximo do agregado graúdo empregado no
trabalho é de 12,5 mm, foi necessário realizar o seu fracionamento em agregado, de
modo a ajustá-lo às dimensões estabelecidas em norma do corpo de prova e permitir
o seu enquadramento na faixa Superpave. Desse modo, descartou-se a parcela que
passou na peneira de abertura 2,36mm, o que resultou em um agregado que se
74
pode denominar de ASAC fracionado, com a sua granulometria disposta na tabela
13:
Tabela 13: Distribuição Granulométrica do ASAC fracionado
Abertura
mm
ASAC Fracionado
%passa
(mm) % passa
25 100 19 100
12,5 100
9,5 78,3
4,75 18,9
2,36 0,0
1,18 0,0
0,6 0,0
0,3 0,0
0,075 0,0
No tocante a dosagem mineral, os dados obtidos por meio da Metodologia
Superpave estão destacados na tabela 14. Quanto a obtenção do teor de projeto foi
concretizada através do procedimento mostrado na tabela 15.
Tabela 14: Distribuição Granulométrica do ASAC fracionado nas misturas
Componentes Mistura 1 Mistura 2 Mistura 3
ASAC Fracionado 53,66 62,00 50,00 Areia MAO 42,44 34,00 45,00
Cimento Portland 3,90 4,00 5,00
Tabela 15: Roteiro para obtenção do teor de projeto
1. Selecionar tês misturas com granulometria diferentes
2. Estimar o teor de betume inicial
3. Compactar dois corpos de prova para mistura com teor de betume inicial (ASTM D 6925)
4. Preparar duas amostras de cada mistura e determinar Gmm(ASTM D 2041)
5. Determinar Gmb dos corpos de prova compactados (ASTM D1188 ou ASTM D2726)
75
6. Calcular e avaliar os parâmetros dos corpos de prova Ndes ou Vv, %Gmm a Nnmax, VAM,
RBV e P/A)
7. Baseado nos valores obtidos, estimar os novos teores de ligante para atender %Gmm e
Ndes e estimar os demais parâmetros
8. Selecionar a mistura que indique maior folga no atendimento dos parâmetros estimados e
prosseguir os testes
9. Para a mistura granulométrica selecionada, deve-se compactar dois corpos de prova para o
teor de ligante estimado, para o teor de ligante estimado ± 0,5% e para o teor de ligante
estimado +1,0%
10. Preparar duas amostras da mistura com teor de ligante estimado e determinar Gmm
11. Calcular a Gmm para as demais misturas pela a relação Gse e teor de betume
12. Determinar o Gmb dos corpos de prova compactados
13. Calcular e avaliar os parâmetros dos corpos de prova compactados (% Gmm a Nini, %Gmm
a Ndes ou Vv, %Gmm a Nmax, VAM, RBV e P/A)
14. Gerar gráficos de cada um dos parâmetros em função dos teores de ligante
15. A mistura com teor de betume deve atender aos requisitos. Caso isso não ocorra, o teor de
projeto correspondente a Vv de 4% pode ser obtido por meio do gráfico e também os
demais parâmetros
Empregou-se nos estudos o ligante asfáltico CAP 50/70, concretizando para
cada mistura, duas compactações no Compactador Giratório Superpave, nas quais
forneceram os resultados para os parâmetros, dispostos na tabela 16 e tabela 17.
Admitiu-se os teores de ligante nos valores de 10,6%, 11,4% e 9,6%, para as
misturas 1, 2 e 3, respectivamente. No início, nota-se que nenhuma das misturas,
atendeu ao critério de compactação mínima de 96% em relação ao Gmm, havendo
outros parâmetros com valores fora do padrão, como o mostrado na tabela 18:
Tabela 16: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 1 de cada mistura
CP N de giros Corpo de Prova 1
100 Massa total [g]
Gmm [g/cm³]
Altura [mm]
Gmb (medida) [g/cm³]
Gmb (estimada)
[g/cm³]
Gmb (Corrigida)
[g/cm³]
% Gmm
Mistura 1
8
1816,2
2,073
123,63 - 1,870 1,884 90,9
100 116,01 - 1,993 2,008 96,8
160 115,07 2,024 2,010 2,010 97,6
76
Mistura 2
8
1763,5
2,036
125,35 - 1,791 1,808 88,8
100 113,07 - 1,986 2,005 98,5
160 112,37 2,017 1,998 2,017 99,1
Mistura 3
8
1839,6
2,133
125,18 - 1,871 1,891 88,6
100 117,11 - 2,000 2,021 94,8
160 116,37 2,034 2,013 2,034 95,4
Tabela 17: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 2 de cada mistura
CP N de giros Corpo de Prova 1
100 Massa total [g]
Gmm [g/cm³]
Altura [mm]
Gmb (medida) [g/cm³]
Gmb (estimada)
[g/cm³]
Gmb (Corrigida)
[g/cm³]
% Gmm
Mistura 1
8
1807,4
2,073
123,37 - 1,865 1,876 90,5
100 115,27 - 1,996 2,008 96,9
160 114,35 2,024 2,012 2,024 97,6
Mistura 2
8
1777,7
2,036
125,53 - 1,803 1,821 89,4
100 113,96 - 1,986 2,006 98,5
160 113,65 2,011 1,992 2,011 98,8
Mistura 3
8
1853,6
2,133
125,56 - 1,880 1,896 88,9
100 117,56 - 2,008 2,025 94,9
160 116,82 2,038 2,020 2,038 95,5
Tabela 18: Avaliação dos parâmetros obtidos nos teores de ligante iniciais
Misturas
Teste
Gmb corrigido [%Gmm] % de vazios
(Vv)
VAM Avaliação
Mistura 1 90,7 96,9 97,6 3,1 16,9 Não atende
Mistura 2 89,1 98,5 98,9 1,5 15,4 Não atende
Mistura 3 88,8 94,9 95,5 5,1 16,5 Não atende
Critérios <=89 96 <=98 =4 >=14
Baseado nos parâmetros obtidos a partir das tentativas iniciais, entendeu-se
que a mistura 2, com menor teor de ligante, poderia preencher todos os requisitos
necessários. Desse modo, foi a mistura escolhida para realizar as novas tentativas,
composta por teores de ligante nos valores de 9,9%, 10,4%, 10,9% e 11,4%, com
resultados mostrados na tabela 21. Observa-se que nesse novo ciclo de tentativas, a
mistura 2, com 10,9% de teor de ligante, atende os requisitos, o que o torna o teor
ótimo de ligante.
Tabela 19: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 1 da mistura
Teor de
Ligante
N de giros Corpo de Prova 1
Massa total [g]
Gmm [g/cm³]
Altura [mm]
Gmb (medida) [g/cm³]
Gmb (estimada)
[g/cm³]
Gmb (Corrigida)
[g/cm³]
% Gmm
77
9,9
8
949,4
2,071
70,65 - 1,711 1,767 85,3
100 63,75 - 1,896 1,958 94,6
160 63,04 1,980 1,918 1,980 95,6
10,4
8
959,9
2,059
69,80 - 1,751 1,800 87,4
100 63,77 - 1,917 1,970 95,7
160 63,11 1,991 1,937 1,991 96,7
10,9
8
964,7
2,047
69,91 - 1,757 1,783 87,1
100 63,44 - 1,936 1,965 96,0
160 62,81 1,985 1,956 1,985 97,0
11,4
8
952,2
2,036
68,27 1,776 1,804 88,6
100 61,83 1,961 1,992 97,8
160 61,55 2,001 1,970 2,001 98,3
Tabela 20: Parâmetros de compactação para o corpo de prova 2 da mistura 2
Teor de
Ligante
N de giros Corpo de Prova 1
Massa total [g]
Gmm [g/cm³]
Altura [mm]
Gmb (medida) [g/cm³]
Gmb (estimada)
[g/cm³]
Gmb (Corrigida)
[g/cm³]
% Gmm
9,9
8
970,4
2,071
70,78 - 1,746 1,754 84,7
100 64,54 - 1,914 1,924 92,9
160 63,86 1,944 1,935 1,944 93,9
10,4
8
947,2
2,059
69,35 - 1,739 1,742 84,6
100 62,48 - 1,930 1,934 93,9
160 61,77 1,956 1,952 1,956 95,0
10,9
8
951,7
2,047
69,82 - 1,736 1,778 86,9
100 63,18 - 1,918 1,965 96,0
160 62,46 1,988 1,940 1,988 97,1
11,4
8
954,9
2,036
69,30 1,754 1,782 87,5
100 62,58 1,943 1,973 96,9
160 61,98 1,992 1,962 1,992 97,8
Tabela 21: Avaliação dos parâmetros obtidos nos teores de ligante iniciais
Teor de
Ligante
Gmb corrigido [%Gmm] % de
vazios
(Vv)
VAM RBV P Pó/asfalto
efetivo
(P/A)
Avaliação
9,9 85 93,7 94,7 6,3 16,7 62 5,5 0,89 Não
atende 10,4 86 94,8 95,8 5,2 16,7 68 6,0 0,81 Não
atende 10,9 87 96,0 97,0 4,0 16,6 75 6,5 0,75 Atende
11,4 88,1 97,4 98,1 2,6 16,4 83 7,1 0,69 Não
atende Critérios <=89 96 <=98 =4 >=14 >=14 0,6 a 1,2
Silva (2011) determinou o teor de projeto do ligante para a mistura com o
agregado graúdo do tipo ASAC pelo método do 3º Distrito Rodoviário Federal (3º
DRF) do DNIT, o qual busca o maior equilíbrio entre os valores do Volume de Vazios
(Vv) e da Relação Betume-Vazios (RBV), determinados através da Metodologia
78
Marshall, resultando em 9,4%, que é inferior ao valor empregado nesta pesquisa, de
10,9%.
Tabela 22: Distribuição Granulométrica Mistura com ASAC
Peneiras-
ASTM
Peneiras
(mm)
Porcentagem de Material para a
mistura (%)
Dosagem
(%)
TMN 12,5mm
ASAC AREIA
MANAUS
FILER
(CPII)
Limite
inferior (%)
Limite
superior
(%)
62 34 4
1 1/12” 38,1 62 34 4 100
1” 25,4 62 34 4 100 100 100
3/4" 19,1 62 34 4 100 100 100
1/2" 12,7 62 34 4 100 90 100
3/8” 9,5 48,55 34 4 86,55 36,83 110,49
N°04 4,8 11,72 33,9 4 49,62 41,98 73,23
N°08 2,36 0,0 33,59 4 37,59 31,80 47,70
N°16 1,18 0,0 32,16 4 36,16 25,19 40,69
N°30 0,600 0,0 26,49 4 30,49 20,92 31,38
N°50 0,300 0,0 12,10 4 16,1 12,58 15,72
N°200 0,0075 0,0 0,884 3,50 4,384 4,43 5,54
Figura 31: Curva Granulométrica da Mistura com ASAC
79
Fonte: Autor
Como o teor de projeto de ligante obtido pela Metodologia Superpave foi
superior ao determinado pelo método tradicional, nota-se que o revestimento
asfáltico proveniente do Método Marshall está mais passível de apresentar
trincamentos, enquanto que a originada da Metodologia Superpave está mais
propensa a deformações permanentes. Mas, para a melhor escolha do método a ser
adotado, há que se considerar as características ambientais e de tráfego local.
4.3. Caracterização Mecânica
Os testes foram realizados em temperaturas diferentes, para o ensaio de
Resistência à Tração, os corpos de prova foram submetidos à 25ºC, 40°C e 60ºC, e
para o Módulo de Resiliência, as temperaturas foram 25ºC e 40ºC, houve a
preocupação de aferir os dados de ruptura, do material em equilíbrio térmico. Já que,
25ºC corresponde a temperatura ambiente do laboratório climatizado, foi necessário
manter os corpos de prova nas temperaturas de 40ºC e 60ºC pelo menos 1 hora na
estufa.
Figura 32: Ensaio de Módulo de Resiliência à 40°C (Esquerda) / Aferição de
temperatura após ensaio de Resistência à Tração à 40°C (Direita)
80
Fonte: Autor
Figura 33: Ensaio de Resistência à Tração à 60ºC (esquerda) / Após ensaio de
Resistência à Tração à 60°C
Fonte: Autor
4.3.1. Resistência à Tração (RT)
81
Nesta subseção apresentam-se os resultados referentes aos testes de
Resistência à Tração por Compressão Diametral, a temperaturas de 25°C, 40ºC e
60°C. Foram utilizados três tipos de corpos prova: 1) a mistura de referência,
constituído pelo concreto asfáltico tendo o ASAC como agregado; 2) a mistura
grafeno, cujo ligante foi modificado com nanomaterial de multicamadas de grafeno;
3) a mistura não envelhecida, sem as multicamadas de grafeno e não envelhecida.
Na figura 34 apresentam-se os valores de Resistências à Tração por
Compressão Diametral para as amostras envelhecidas (submetidas ao processo de
envelhecimento). Compara-se os resultados das misturas asfálticas com o ligante
modificado por nanomaterial de multicamadas de grafeno, em cor verde, que
identificaremos simplesmente por “grafeno”, com o material de referência, em cor
laranja. É perceptível a influência da adição do nanomaterial no comportamento
mecânico desse revestimento asfáltico, que proporciona aumento nos valores de
Resistência à Tração.
Nota-se também a influência da temperatura de serviço nos valores de
Resistência à Tração. Na figura citada, observa-se que a 25°C os dois tipos de
amostra assinalados, a do material de referência e a do “grafeno”, apresentam
melhor desempenho mecânico. Ao serem submetidos a temperaturas maiores, os
valores de RT decaem continuamente, como mostram os resultados para 40 ºC e
60°C.
Figura 34: Resistência à tração do material referência (cor laranja) e do mesmo
material tendo o ligante modificado com nanomaterial de multiccamadas de grafeno
(cor verde).
82
A adição do nanomaterial de multicamadas de grafeno confere à mistura
asfáltica um aumento nos resultados de Resistência à Tração, que pode ser visto na
figura 35 e na tabela 23. À temperatura de 25°C o material cujo ligante é modificado
com multicamadas de grafeno apresenta um aumento da Resistência à Tração de
9,8% em relação ao material de referência. Na temperatura de 40°C também houve
aumento no desempenho mecânico, nesse caso de 8,1%. À temperatua de 60°C, a
adição do grafeno quase não proporcionou variação nos valores de Resistência à
Tração.
Figura 35: Acréscimo de Resistência à Tração devido a adição de Nanomaterial de
grafeno
83
Tabela 23: Acréscimo de Resistência à Tração com a adição de nanomaterial de
grafeno
Mistura Temperatura Acréscimo de RT
Grafeno 25°C 9,8%
40°C 8,1%
60°C 0,0005%
Tabela 24: Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura (Mistura de
Referência e Mistura Grafeno
Mistura Perdas 25°C 40°C 40°C 60°C 25°C 60°C
REFERÊNCIA 31,3% 63,2% 74,7% GRAFENO 32,6% 66,1% 77,2%
O acréscimo de temperatura produziu a diminuição da Resistência à Tração
para as duas misturas asfálticas em estudo, a do material de referência e a do
material modificado com multicamadas de grafeno. Ao variar de 25°C para 40°C, a
RT do material modificado reduziu de 32,6% e a do material de referência 31,3%.
Com o aumento da temperatura de 40°C para 60ºC, a perda devido ao aumento da
temperatura foi notadamente maior para os dois tipos de compósito, cerca de 66,1%
para o material modificado e 63,2% para a de referência. Mas, o maior decréscimo
observado, foi na variação de 25°C para 60°C, que representou cerca de 77,2% para
84
o corpo de prova modificado e 74,7% para o de referência. Tais observações podem
ser visualizadas na tabela 24 e figura 36:
Figura 36: Gráfico de Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura
(Amostra de Referência e Amostra Grafeno)
Le et al., (2016) concretizaram ensaios de flexão nos quais se obtiveram
resistência à flexão superior a baixas temperaturas para as misturas asfálticas que
utilizaram ligante asfáltico modificado por grafeno, na proporção de 3% a 6% do
ligante, relacionado ao ligante não modificado. Observou-se, na sua pesquisa
também que a modificação do ligante asfáltico pelo grafeno melhora o desempenho
na compactação, diminuindo o número de giros necessários no Compactador
Giratório Superpave.
Hassani et al., (2017) estudaram o comportamento das propriedades
mecânicas do pavimento de concreto por óxido de grafite que resultou no aumento
da resistência à traçãodo cimento. Habid et al (2014) realizaram ensaios de
caracterização do ligante modificado por grafeno na quantidade de 0,225% do peso
do ligante e mesmo com uma quantidade tão reduzida de nanomaterial conseguiu
observar uma ligeira alteração no comportamento elástico que pode melhorar a
resistência à deformação do pavimento.
85
Pela escassez de estudos envolvendo o grafeno na pavimentação asfáltica
realizou-se a comparação com outro modificador no ligante, a montmorilonita em
diversas porcentagens.
Na figura 37, é possível visualizar os estudos realizados por Santos et al
(2015), no qual pesquisaram o comportamento mecânico de misturas asfálticas do
tipo concreto asfáltico, com brita como agregado graúdo, modificadas pela adição de
montmorilonita nas porcentagens de 2%, 3% e 4%. Para cada uma das adições
houve aumento nos valores de Resistência à Tração, do mesmo modo que acontece
com o trabalho em estudo no qual a adição de 4% de nanomateral de multicamadas
de grafeno possibilita o aumento do desempenho mecânico da mistura asfáltica que
emprega ASAC como agregado graúdo.
Figura 37: Gráfico Comparativo de Resistência à Tração (Mistura Referência e
Modificada com ASAC e CA convencional com MMT em diversas porcentagens)
Na figura 38 é apresentado o conjunto das Resistências à Tração por
Compressão Diametral concernente às misturas asfálticas do material de referência
envelhecida (cor laranja) e não envelhecida (cor azul), que empregam o Agregado
Sinterizado de Argila Calcinada como agregado Graúdo. É notadamente visível a
influência do envelhecimento nas propriedades mecânicas desse revestimento
asfáltico. Percebe-se também a influência da temperatura de serviço nos valores de
Resistência à Tração. Nota-se que os compósitos asfálticos tiveram melhor
86
desempenho mecânico à temperatura de 25°C, diminuindo esse desempenho à
temperatura de 40ºC, e uma grande redução à temperatura de 60°C.
Figura 38: Gráfico Resistência à Tração (Amostra não envelhecida e Amostra do
material de referência)
É visível a influência do processo de envelhecimento nos resultados de
Resistência à Tração para todas as temperaturas, podendo ser conferidas na figura
39 e na tabela 25. À temperatura de 25°C houve aumento da Resistência à Tração
de 63% com o processo de envelhecimento. O maior acréscimo de RT foi
visualizado à 40°C, no qual o acondicionamento térmico por duas horas propiciou
aumento de 97% desse valor. Há 60°C, nota-se cerca de 60% de aumento no valor
do desempenho mecânico.
87
Figura 39: Gráfico do Acréscimo de Resistência à Tração com o
envelhecimento
Tabela 25: Acréscimo da Resistência à Tração com o Envelhecimento
Mistura Temperatura Acréscimo de RT
Referência 25°C 63%
40°C 97%
60°C 50%
Nota-se que com o aumento de temperatura houve diminuição dos valores de
Resistência à Tração para as duas misturas asfálticas em estudo, a de referência
envelhecida e a não envelhecida. Quando a temperatura variou de 25°C para 40°C
houve redução de 43,1% nos valores de RT para não envelhecida, enquanto que
para de referência envelhecida esses valores foram de 31,3%. Com o aumento da
temperatura de 40°C para 60ºC, a perda proveniente da alteração da temperatura
observada foi ainda maior para as duas amostras, cerca de 51,7% para a não
envelhecida e 63,2% para a de referência envelhecida. No entanto, o maior
decréscimo visualizado no trabalho foi na variação de 25°C para 60°C, que
representou cerca de 72,5% para o corpo de prova não envelhecido e 74,7% para o
de referência. Tais observações podem ser visualizadas na tabela 26 e figura 40:
88
Tabela 26: Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura
Mistura Perdas NÃO ENVELHECIDA 25°C 40°C 40°C 60°C 25°C 60°C
43,1% 51,7% 72,5% REFERÊNCIA 31,3% 63,2% 74,7%
Figura 40: Gráfico de Decréscimo de Resistência à Tração com a Temperatura
No que concerne a literatura, os resultados encontrados com o trabalho,
mostram-se satisfatórios, à medida que atendem aos requisitos mínimos normativos,
salvo a mistura não envelhecida que ficou abaixo do pré-estabelecido pelo DNIT. A
comparação dos resultados do trabalho atual com a literatura pode ser visualizada
na figura 41. O destaque deve ser dado à mistura modificada, que teve aumento no
seu desempenho mecânico quando comparada com a de referência dessa pesquisa.
89
Figura 41: Gráfico Comparativo de Resistência à Tração de Bibliografias Estudadas
4.3.2. Módulo de Resiliência
Na execução do ensaio de Módulo de Resiliência adotou-se o coeficiente de
Poisson de 0,35 para as duas temperaturas testadas, 25°C e 40°C. De acordo com a
teoria, o ideal é que o Módulo de Resiliência se mantenha estável com a variação
das tensões, dentro de um limite elástico, variando com a temperatura do ensaio.
No que concerne à mistura de referência que passou pelo processo de
envelhecimento, pode-se inferir que à temperatura de 25°C, com 10% da RT,
obteve-se o melhor desempenho elástico. Com o aumento do percentual do esforço
de Resistência à Tração, mantendo-se constante a temperatura, há redução nos
valores do MR para 20% da RT, que aumenta quando a porcentagem passa a ser
30% da RT. Com o aumento da temperatura de 25°C para 40°C, observa-se a
diminuição do desempenho elástico, em relação a 25°C para todas as porcentagens
da RT. Os valores de MR a 40°C praticamente se mantém constante, percebe-
se,pois, uma estabilidade com a variação das tensões, que pode ser observado na
figura 42.
90
É possível notar que para as duas temperaturas, 25°C e 40°C e para
diferentes tensões, (10%, 20%, 30%) da Resistência à Tração, o compósito de
referência tem Módulo de Resiliência praticamente constante, concluindo-se que é
pouco suscetível à variação de temperatura.
Figura 42: Gráfico do Módulo de Resiliência do CA da amostra de referência
Figura 43: Módulo de Resiliência da amostra de referência (10% da RT, 20% da RT,
30% da RT)
A redução do MR com o aumento da temperatura pode ser visualizada na
figura 44 e na tabela 27, nos quais evidenciam as perdas nos valores de MR a 40°C,
relativo aos valores obtidos do MR a 25°C. Nota-se que a maior perda da
elasticidade do compósito asfáltico pode ser observada, quando o mesmo foi
exposto a 30% do esforço de RT, sendo o menor valor referente a 20% de RT.
91
Tabela 27: Influência da temperatura no Módulo de Resiliência da amostra de
referência
Mistura Carga(%RT) 25°C 40°C
CA ASAC 10%RT 62,8%
20%RT 58,7%
30%RT 62,9%
Figura 44: Gráfico do Decréscimo do Módulo de Resiliência com a Temperatura da
amostra de referência
No que se refere à mistura modificada por nanomaterial de grafeno, sob
processo de envelhecimento, observa-se que à temperatura de 25°C, com 20% da
RT, obteve-se o melhor desempenho elástico para essa mesma temperatura. Com o
aumento 20% do percentual do esforço de Resistência à Tração, mantendo-se a
temperatura, há diminuição nos valores do MR, que possui melhor comportamento
quando a porcentagem passa a ser de 30% da RT. Com o aumento da temperatura
de 25°C para 40°C, observa-se a diminuição do desempenho elástico, em relação a
25°C para todas as porcentagens da RT. Os valores de MR a 40°C praticamente se
mantém constante, percebe-se, pois, uma estabilidade com a variação das tensões,
que pode ser observado na figura 45.É possível notar que para as duas
temperaturas, 25°C e 40°C e para diferentes tensões, (10%, 20%, 30%) da
Resistência à Tração, o compósito de referência tem Módulo de Resiliência
praticamente constante, concluindo-se que é pouco suscetível à variação de
temperatura.
92
Figura 45: Módulo de Resiliência do CA da amostra grafeno
Figura 46: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra grafeno (10% da RT, 20%
da RT, 30% da RT)
A redução do MR com o aumento da temperatura pode ser visualizada na
figura 47 e na tabela 28, nos quais se observam as perdas nos valores de MR a
40°C, relativo aos valores obtidos do MR a 25°C. Nota-se que a maior perda da
elasticidade do compósito asfáltico pode ser observada, quando o mesmo foi
exposto a 20% do esforço de RT, sendo o menor valor referente a 10% de RT. Além
93
disso, é possível concluir que as perdas por temperatura para amostra grafeno são
menores que nas de referência, através da visualização do figura 47.
Tabela 28: Influência da temperatura no Módulo de Resiliência da amostra
grafeno
Mistura Carga(%RT) 25°C 40°C CA ASAC 10%RT 53,2%
20%RT 58,4%
30%RT 54,8%
Figura 47: Gráfico do Decréscimo do Módulo de Resiliência com a Temperatura da
amostra referência e amostra grafeno.
Ao se comparar os resultados provenientes dos ensaios realizados, notados
na figura 48, é possível perceber que para as duas temperaturas, 25°C e 40°C, o
Módulo de Resiliência foi maior nas misturas modificadas pelo grafeno, nas
porcentagens de 20% e 30% da RT, apenas para 10%RT, o MR da mistura
modificada com grafeno foi menor, concluindo-se que esse nanomaterial confere
maior desempenho mecânico aos compósitos que o empregam em sua composição.
94
Figura 48- Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra de referência (10% da RT,
20% da RT, 30% da RT), e da amostra grafeno nas temperaturas de 25°C e 40°C
No que se refere a mistura não envelhecida a temperatura de 25°C com 10%
da Resistência à Tração, obtém-se o melhor desempenho elástico para esse
compósito. Com o aumento do percentual do esforço de Resistência à Tração, para
essa mesma temperatura, há redução nos valores do Módulo de Resiliência. O
aumento da temperatura de 25°C para 40°C, proporciona a diminuição do
desempenho elástico, ao se comparar com a temperatura de 25°C para todas as
porcentagens da RT. O destaque na temperatura de 40°C é para o esforço de 10%
da RT, no qual se nota, o melhor resultado de MR, notando-se uma estabilidade com
a variação das tensões, que pode ser observado na figura 49.
Nas temperaturas de 25°C e 40°C e para diferentes tensões, (10%, 20%,
30%) da Resistência à Tração, o compósito com ASAC como agregado graúdo, tem
Módulo de Resiliência praticamente constante, o que denota que o compósito é
pouco suscetível à variação de temperatura.
95
Figura 49: Gráfico do Módulo de Resiliência do CA da amostra não envelhecida
Figura 50: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra não envelhecida (10% da
RT, 20% da RT, 30% da RT)
A redução do MR com o aumento da temperatura pode ser visualizada na
figura 50 e na tabela 29, nosquais evidenciam as perdas nos valores de MR a 40°C,
relativo aos valores obtidos do MR a 25°C. Nota-se que a maior perda da
elasticidade do compósito asfáltico pode ser observada, quando o mesmo foi
exposto a 10% do esforço de RT, sendo o menor valor referente a 30% de RT.
96
Tabela 29: Influência da temperatura no Módulo de Resiliência
Mistura Carga(%RT) 25°C 40°C CA ASAC 10%RT 70,15%
20%RT 67,67%
30%RT 66,67%
Figura 51: Gráfico do Decréscimo do Módulo de Resiliência com a Temperatura da
amostra não envelhecida
Figura 52: Gráfico do Módulo de Resiliência da amostra de referência (10% da RT,
20% da RT, 30% da RT), e da amostra não envelhecida nas temperaturas de 25°C e
40°C
97
Desse modo, em posse dos resultados da mistura não envelhecida e da de
referência que passou pelo acondicionamento térmico referente ao envelhecimento,
é possível ratificar a importância desse processo para o aumento da rigidez da
mistura, que proporciona aumentos consideráveis no desempenho mecânico das
mesmas.
Figura 53: Gráfico Comparativo de Módulo de Resiliência de Bibliografias Estudadas
30%RT
Através do gráfico da figura 53 é possível visualizar o quão positivo é o
resultado referente ao ensaio de Módulo de Resiliência para as misturas modificadas
pelo grafeno. Dentre as bibliografias estudadas, mostra-se com o valor superior as
98
demais misturas, estudadas por Cunha (2014) e Frota et al. (2007) que não
empregaram grafeno na sua composição, demonstrando a importância desse
nanomaterial no desempenho mecânico de um revestimento asfáltico.
5. CONCLUSÕES
Ao presente trabalho coube a função de realizar a análise do comportamento
mecânico das misturas asfálticas do tipo CA, com o emprego de ASAC como
agregado graúdo, em substituição aos agregados convencionalmente utilizados na
pavimentação asfáltica, como meio de resolver o problema de escassez de material
pétreo, característica intrínseca da região Amazônica. Além do emprego de
agregado graúdo alternativo na mistura, estudou-se os efeitos mecânicos
provenientes da adição ao ligante asfáltico de 4% de nanomaterial de multicamadas
de grafeno, proveniente da moagem de 4h do material grafite. Avaliou-se também a
influência do processo de envelhecimento nos resultados mecânicos do
revestimento asfáltico estudado.
Concernente a isso, a pesquisa realizada por meio de Revisão Bibliográfica,
com diversos trabalhos sobre o tema presente na literatura, o Grupo de Pesquisa em
Geotecnia, GEOTEC, tem procurado estudar de modo aprofundado o emprego do
ASAC em misturas asfálticas, como meio de possibilitar a difusão e ampliação do
conhecimento deste material, além de contribuir para sua utilização em larga escala,
tal que seja comercialmente viável.
A seguir podem ser observadas as principais conclusões acerca da presente
pesquisa:
99
A adição do nanomaterial grafeno às misturas asfálticas proporcionou
incremento considerável nos valores de Resistência à Tração e Módulo de
Resiliência em relação a mistura de referência.
Há uma forte influência da temperatura nos resultados dos ensaios
mecânicos, tanto no que diz respeito ao Teste de Resistência à Tração, quanto ao
de Módulo de Resiliência.
Também pode-se inferir que houve modificações no comportamento
mecânico, no tocante ao Módulo de Resiliência, quando se variou o percentual do
esforço de Resistência a Tração. Mas a principal mudança observada no MR é
decorrente do processo de acondicionamento térmico por duas horas, que se refere
ao envelhecimento da massa asfáltica, o qual proporciona aumento na rigidez do
compósito, refletindo nos resultados que são superiores ao da mistura não
envelhecida e da temperatura.
Quanto à Resistência à Tração por Compressão Diametral, a composição de
referência e a amostra com multicamadas de grafeno atingiram valores superiores
ao mínimo estabelecido em normas do DNIT. Apenas a amostra não envelhecida
não atingiu esse mínimo. O que significa que pela precariedade de agregados
graúdos da região, que as duas misturas supracitadas possuem viabilidade técnica,
podem, pois, ser empregadas em rodovias e é possível a obtenção de bons
resultados na prática.
No que se refere ao Módulo de Resiliência, nota-se que nas duas
temperaturas, 25°C e 40°C nas diferentes tensões, (10%, 15%, 20%, 30%) da
Resistência à Tração, para todos os tipos de mistura, de referência, com
multicamadas de grafeno e não envelhecida, nas quais empregou-se na sua
composição o ASAC como agregado graúdo, têm valores de Módulo de Resiliência
praticamente constantes, concluindo-se que os compósitos são pouco suscetíveis à
variação de temperatura, possuem, desse modo, grande resistência mecânica. Cabe
destacar que a adição do grafeno às misturas asfálticas também aumentou o Módulo
de Resiliência da amostra de referência.
Pelo mostrado, percebe-se que os ensaios de Resistência à Tração e de
Módulo de Resiliência evidenciam desempenho satisfatório com o uso de ASAC nas
misturas asfálticas como agregado graúdo nos compósitos estudados, o de
referência, o com multicamadas de grafeno e o não envelhecido. Apenas para o
caso da amostra que não passou pelo processo de acondicionamento térmico, o
100
valor de RT foi inferior ao determinado por norma, validando desse modo as duas
outras amostras do ponto de vista técnico, notando-se que, o emprego desse
agregado alternativo e do modificador de multicamadas de grafeno pode ser viável.
As pesquisas referentes à caracterização mecânica das misturas asfálticas
empregando-se materiais alternativos é bastante abrangente e possui expectativa de
uso na pavimentação asfáltica da região Amazônica. Com o intuito de aprimorar os
resultados do trabalho, recomenda-se:
a) Analisar o comportamento mecânico com a adição de outros tipos de
nanomateriais ao ligante como polímeros, nanoargila, vidro.
b) Executar trechos experimentais com o emprego do material alternativo ASAC para
avaliar seu desempenho em campo.
c) Realizar ensaios em um menor intervalo de temperatura e com temperaturas mais
elevadas que as do trabalho, representando o clima típico da região.
d)Implementação de materiais de enchimento proveniente de resíduos, como a cal
de carbureto, a fim de avaliar a possível substituição do cimento Portland nas
misturas estudadas;
e) Realizar outros tipos de ensaios mecânicos para avaliar o desempenho da mistura
modificada com multicamadas de grafeno como módulo dinâmico.
101
APÊNDICE
DINÂMICA DAS PARTÍCULAS DO MOINHO DE BOLAS
Neste apêndice desenvolveremos a teoria da dinâmica do movimento das
esferas no interior de um moinho de bolas de alta energia. Consideraremos que
tanto o material do qual são constituídas as esferas, como o material do qual é
constituído o cilindro são perfeitamente elásticos. Nos cálculos aqui desenvolvidos
tomaremos como referência o livro de L. D. Landau e E. M. Lifshitz, intitulado
"Theory os Elasticity, publicado pela Pergamon Press.
Na figura (1) apresentamos duas superfícies esféricas em contato uma com a
outra. Na figura (1a), as esferas encontram-se em contato normal, sem que estejam
submetidas a qualquer força. Na figura 1b as duas superfícies encontram-se
submetidas a uma determinada força, de maneira que as mesmas se encontram
deformadas.
Figura 1: Duas esferas em contato entre si. Em a) estão em contato, sem nenhuma
pressão de uma sobre a outra. Em b) as esferas estão pressionadas uma sobre a
outra, de forma que sofrem uma deformação total , em que as linhas pontilhadas
102
representam as esferas sem deformação, e as linhas cheias, as esferas
comprimidas.
Definimos o eixo z perpendicular à superfície de contato dos dois corpos,
superfície essa que se encontra, no plano xy , com o sentido positivo para dentro de
cada corpo. Ou seja, em direções opostas um ao outro.
A partir de agora vamos usar a notação indicial, de maneira que
1 2 e x x x y (1)
Nessa notação, a superfície genérica de segundo grau do corpo 1 pode ser
escrita como
,
,
,az x x
(2)
onde e podem assumir os valores 1 e 2, e representa um tensor simétrico de
rank 2.
Na forma expandida mais usualmente conhecida, a equação (2) pode ser
escrita na como:
11 1 1 12 1 2 21 2 1 22 2 2z x x x x x x x x
Considerando que 12 21 (simétrico), da equação (1), transformando de
notação inicial para a rotação em x e y , escrevemos:
2 2
11 12 222 ,z x xy y (3)
103
onde 11 12 22, e são constantes. A equação (3) seria a forma geral da superfície
formada pela interseção do corpo 1 por um plano paralelo ao plano xy .
Para ilustrar o que foi dito acima, vamos considerar que o corpo 1 seja uma
esfera de raio R , como mostra a figura 2.
A equação da esfera com centro no ponto (0,0,R) é dada por:
2 2 2 2( )x y z R R
Tomando o valor fixo de z , a equação acima fica:
2 2 (2 ) .x y R z z (4)
Figura 2: Esfera de raio R com uma seção de calota (área sombreada) de raio r ,
onde O é a origem do sistema de coordenadas, O eé o centro da esfera, e O é o
centro da interseção da esfera com o plano ^,z isto é, o plano paralelo ao plano xy ,
a uma altura z desse plano.
A equação (4) descreve um círculo no plano xy com raio r dado por:
(2 ) .r R z z
Voltemos agora à notação indicial. Em analogia com a equação (2) para o
corpo 2, podemos escrever
104
' ' .z x x
(5)
Tanto a equação (2) como a equação (5), representam as superfícies em
contato normal, sem nenhuma força agindo sobre elas. Agora vamos considerar que
os dois corpos estão comprimidos um contra o outro. Nesse caso, a superfície de
contato ficará achatada, com a deformação total . Conforme a figura 1(b), essa
deformação é descrita como
( ) ( ' ' )z zz u z u (6)
Substituindo na equação (6) os valores de z e 'z dadas pelas equações 2 e 5,
respectivamente,
( ' ) ' .z zx x u u
(7)
Vamos escolher os eixos x e y de maneira que eles coincidam com os eixos
principais do tensor ' . Chamando de A e B os valores principais daquele
tensor, a equação (7) passa a ser escrita como
2 2 ' .z zAx By u u (8)
Vamos definir como e os raios de curvatura do corpo 1 no ponto de
contato nos planos xy e ,yz respectivamente. Da mesma forma, definimos os raios
de curvatura e ’ do corpo 2. Pode-se mostrar as seguintes relações entre as
cortantes A e B e os raios de curvatura:
1 2 1 2
1 1 1 1
2 2 2 ' 2 'A B
R R R R (9)
2 2
2
1 2 1 2
1 2 1 2
1 1 1 1( )
2 2 2 ' 2 '
1 1 1 12cos(2 ) ,
2 2 2 ' 2 '
A BR R R R
R R R R
(10)
105
em que é o ângulo entre as reações transversais definidas pelos raios de
curvatura 1 2' e 'R R .O raio de curvatura é tomado como positivo se o centro de
curvatura se encontram dentro do corpo considerado, e negativo em caso contrário.
Consideremos que a superfície de contato entre os dois corpos seja plana e
que sobre essa superfície existe uma distribuição de pressão '( ', ').P x y O
deslocamento no ponto ( , )x y nas superfícies 1 e 2 são dados por
( , )zu x y deslocamento no ponto ( , )x y da superfície 1
' ( , )zu x y deslocamento no ponto ( , )x y da superfície 2.
Usando as equações (9.5) da referência (Landau et al), ( , )zu x y e ' ( , )zu x y são
escritos como:
2 ( ', ')1
' 'zz
P x yu dx dy
Y r
(11)
2 ( ', ')1 '
' ' ','
zz
P x yu dx dy
Y r
(12)
onde r é a distância entre os pontos ( , )x y e ( ', ')x y ,
2 2( ') ( ') ,r x x y y (13)
Y é o módulo de elasticidade (Young) e o coeficiente de Poisson. Dividindo a
equação (11) pela equação (12), encontramos:
2
2
1 '.
' 1 '
z
z
u Y
u Y
(14)
As equações (8) e (14) determinam os deslocamentos zu e 'zu em qualquer
ponto ( , ).x y
Substituindo as equações (11) e (12) na equação (8), obtemos:
2 2
2 2( ', ')1 1 1 '' ' .
'
zP x ydx dy Ax Bx
Y Y r
(15)
106
A solução da equação integral (15) determina a distribuição de pressão
( , )zP x y na superfície de contato dos dois corpos. A integral que aparece na equação
(15) é muito comum na teoria do potencial, na qual ela nos dá o potencial devido à
distribuição de uma carga elétrica, por exemplo:
( ', ')( , ) ' ',
x yV x y dx dy
r
onde ( ', ')x y é a densidade superficial de carga e ( , )V x y o correspondente potencial.
Observemos que da equação (9) o resultado da integral dá uma dependência
quadrática em x e y . Para fazer uma analogia com a teoria do potencial, sabe-se
que o potencial de uma distribuição uniforme de carga dentro de um elipsóide
também tem a forma quadrática em x e y . Assim, para o elipsóide:
2 2 2
2 2 21,
x y z
a b c (16)
uniformemente carregado com uma distribuição volumétrica de carga , sabe-se que
o potencial ( , , )x y z dentro do elipsóide é dado por :
2 2 2
2 2 2 2 2 20
( , , ) 1 ,( )( )( )
x y z dx y z abc
a b c a b c
(17)
onde é uma variável da integração. Como estamos interessados na integral do tipo
da equação (15), associada com a superfície de contato dos dois corpos, portanto
bidimensional, vamos transformar a equação (17) para duas dimensões. Para isso,
vamos achatar o elipsóide na direção z ,fazendo 0c e 0z na equação (17).
Assim, temos,
2 2
2 2 2 20
( , ) 1( )( )
x y dx y abc
a b a b
(18)
Por outro lado, também podemos escrever o potencial como:
( ', ', ')
( , , ) ' ' ',x y z
x y z dx dy dzr
107
ou
2 2 2
( ', ', ')( , , ) ' ' ',
( ') ( ') ( ')
x y zx y z dx dy dz
x x y y z z
onde
2 2 2( ') ( ') ( ')r x x y y z z .
No limite de 0c e z e ' 0z , integrando a equação acima nos limites
2 2
2 2
' '1 ,
x y
a b
obtido da equação (16), o potencial ( , )x y tem a forma:
2 2
2 2
' ' ' '( , ) 2 1 .
dx dy x yx y c
r a b (19)
Comparando as equações (18) e (19), encontramos
2 2 2 2
2 2 2 2 2 20
' ' ' '1 1 .
2 ( )( )
dx dy x y ab x y d
r a b a b a b
(20)
Vamos agora ao ponto central do nosso cálculo. Compararemos a equação
(20) com a equação (15). Obteremos que o lado direito da equação (20) a integral é
na variável . Portanto, o resultado tem dependência em x² e em y², tal que acontece
com o lado direito da equação (15). Por outro lado, o lado esquerdo da equação (20)
tem a mesma forma de integral do lado esquerdo da equação (15). Daí, pode-se
concluir que ( , )P x y é proporcional a
2 2
2 21
x y
a b
ou seja,
2 2
2 2( , ) 1 ,
x yP x y C
a b (21)
108
onde C é uma constante a ser determinada e a eb são semi-eixos principal e da
elipse. Em resumo, a área de contato entre dois corpos está circunscrita a uma
elipse de semi-eixos principais a e b , mostrada na figura 3, sobre a qual age uma
distribuição de pressão dada pela equação 21.
Figura 3: Forma da área de contato entre dois corpos.
Para determinar a constanteC , vamos considerar que a força total agindo na
superfície de contato entre os dois corpos é F. Assim, podemos escrever:
( , ) ,F P x y dxdy (22)
onde a integral dupla é calculada em toda a superfície de contato.
Substituindo a equação (21) na equação (22), encontramos:
2 2
2 21 ,
b a
b
x yF C a dxdy
a b
de onde se tira que
3
2
FC
ab . (23)
Assim a equação (21) passa a ser escrita como
2 2
2 2
3( , ) 1 .
2
F x yP x y
ab a b (24)
Substituindo a equação (24) na equação (15), temos:
109
2 2 2 2
2 2
2 2
1 1 1 ' 3 ' '1
' 2
F dx dy x yAx By
Y Y ab r a b
. (25)
Agora substituindo a integral dupla do lado esquerdo da equação (25) pelo
lado direito da equação (20), escrevemos,
2 2 2 2
2 2 2 20
3 1 1 '1
4 ' ( )( )
F x y d
Y Y a b a b
2 2.Ax By (26)
Vamos definir como efY com a seguinte expressão:
2 21 1 1 '
.'efY Y Y
(27)
Comparando os dois lados da equação (26) termo a termo, obtemos
2 2 2 22 2
2 2 2 20
3 1 1 '1 ,
4 ' ( )( )
F x y dAx By
Y Y a b a b
onde
1/2
2 20ef
F d
Y a b
(28)
1/2
2 2 20ef
F dA
Y a a b
(29)
1/2
2 2 20ef
F dB
Y b a b
(30)
Podemos reescrever as equações (28)-(30) em termos de variáveis mais
apropriadas para a utilização na integração numérica. Depois de alguma álgebra,
podemos escrever:
/2
1/22 2
0
2
1 senef
F d
aY e
(31)
110
2/2
2
1/22 2
0
2 sen
1 senef
F dAa
Y e
(32)
2/2
2
3/22 2
0
2 sen
1 senef
F dBa
Y e
, (33)
onde e é a excentricidade da elipse dada por:
2
21
be
a . (34)
Agora vamos aplicar as equações (31)-(34) e (9)-(10) a duas situações que
nos interessam para o processo de simulação: 1) Duas esferas em contato entre si;
2) Uma esfera em contato com a parede interna de um cilindro.
A.1 Duas esferas em contato
Consideremos duas esferas de raios R e R’ em contato entre si. Observamos
as equações (9) e (10). Nesse caso, tomamos para 1 2 1 2, , ' , ' e R R R R os seguintes
parâmetros:
1 2
1 2
o
' ' '
90 .
R R R
R R R
Assim, das equações (9) e (10), temos:
1 1
'
,
A BR R
A B
de onde encontramos que
1 1
.2 2 '
A BR R
(35)
Como ,A B das equações (29) e (30) podemos concluir que .a b Portanto,
a área de contato entre os dois corpos é constituída por um círculo de raio .a Vamos
111
determinar o valor de .a Da equação (34) obteremos que 0.e Usando as equações
(31) e (35), com 0,e escrevemos:
/2
3 2
0
1 1 2sen .
2 2 ' ef
Fa d
R R Y
Como /2
2
0
sen ,4
d
então
31 1
2 2 ' ef
Fa
R R Y
Definindo o raio efetivo efR como
1 1 1
,'efR R R
o raio a do círculo da superfície de contato entre as duas esferas, em função da
força de compressão entre elas, é:
1/3
1/3 .ef
ef
Ra F
Y
(36)
Figura 4: Duas esferas em contato entre si. A área de contato é um círculo de raio a .
112
Da equação (36) observa-se que quanto maior o módulo de Young efetivo,
menor a área de contato entre as duas esferas, e quanto maior a força F , ou o raio
efetivoefR , maior a área de contato.
Da equação (31) tiramos:
/2
0
2.
ef ef
F Fd
aY aY
Como o raio a da superfície de contato é conhecido, dado pela equação (36),
a equação acima fica:
1/3
2/3
2
1.
ef ef
FY R
(37)
Escrevendo a força F em função de , temos:
3/2.ef efF Y R (38)
A energia potencial U das esferas em contato entre si pode ser obtida da
relação:
1/22 3/2
1/22 5/22
constante.5
e ef
e ef
UF
dU Fd
U Y R d
U Y R
Como, quando 0 implica que 0,U concluímos que a constante 0. Logo, a
energia potencial das esferas em contato é
1/2
2 5/22.
5e efU Y R (39)
Agora vamos determinar a força máxima de contato em função da velocidade
de aproximação das esferas, que chamamos de .v Observemos que, antes do
impacto, a energia mecânica das duas esferas é constituída apenas pela soma de
113
suas energias cinéticas.Tomando como referência o centro de massa das duas
partículas, a energia cinética total, imediatamente antes do choque, é:
21,
2ciE v (40)
onde é a massa efetiva das duas esferas, dada por
1 1
,'m m
(41)
e v é o módulo da velocidade relativa de uma esfera em relação a outra. Ou seja, v é
a velocidade com que as esferas estão se aproximando, imediatamente antes do
choque. Após o choque, as esferas permanecem em contato por um certo intervalo
de tempo. Neste intervalo de tempo, elas se aproximam com a velocidade /v t ,
com energia cinética total:
2
1.
2cf
dE
dt
(42)
Da conservação da energia mecânica, a energia total antes do choque é igual à
energia total depois do choque. Antes do choque, a energia total era constituída
apenas pela cinética, dada pela equação (40). Após o choque, a energia mecânica é
a soma da cinética, dada pela equação (42), mais a energia potencial, dada pela
equação (39). Assim escrevemos:
cf ciE U E
2
1/22 5/21 2
.2 5
e ef ci
dY R E
dt
(43)
Da equação (38) sabemos que a força máxima entre as esferas ocorre quando a
deformação é máxima max( ). Quando isso ocorre, a velocidade relativa das esferas
é zero ( / 0).d dt Assim, inserindo essas informações na equação (43), temos:
2/5
2
max
5.
4ef ef
vY R
(44)
Substituindo (44) em (38), vem:
114
3/5
2/52
max
5.
4ef efF Y R v
(45)
A distribuição da pressão na superfície de contato é dada pela equação (24). Para
uma certa força ,F ela é máxima no centro da interface em 0 e 0 :x y
3
(0,0) .2
FP
ab
Como a interface de duas esferas é circular, ,a b
2
3(0,0) .
2
FP
a
da equação (36), obtemos
1/3
1/3 .ef
ef
Ra F
Y
Substituindo o raio a descrito na equação acima, em (0,0),P encontramos
2/31/33
(0,0) .2
ef
ef
YFP
R
Substituindo a equação (38), para a força ,F na equação anterior, encontramos:
1/23
(0,0) .2
ef
ef
YP
R
Da equação acima observamos que a pressão será máxima no centro da interface
de contato quando a deformação for máxima. Assim:
1/2
max
3(0,0) .
2
ef
ef
YP
R
Usando max dado pela equação 44, obtemos, finalmente, que a pressão máxima no
centro da área de contato entre duas esferas é:
115
1/54
2
max 3
15(0,0) .
8
ef
ef
YP v
R
(46)
A.2 Esfera em contato com a parede interna de um cilindro
Vamos tratar do contato interno de uma esfera com um cilindro oco, isto é, com a
esfera localizada no interior do cilindro, como mostra a figura 5. No ponto de contato,
os raios de curvatura da esfera nos plano xz e yz são ambos ,R ou seja,
1 2 .R R R (47)
Naquele mesmo ponto, o raio de curvatura do cilindro no plano yz é 'R e no
plano xz é infinito,
1 2' ' e ' ,R R R (48)
onde o sinal negativo de 1'R vem da concavidade da superfície cilíndrica, ou seja, o
centro da curvatura encontra-se fora do corpo cilíndrico, representado na figura 5
pela região escura.
Figura 5: Uma esfera de raio R R em contato interno com um cilindro oco de raio
.R
116
Como o ângulo entre os planos xz e yz é 90°o( 90 ), das equações (9),
(10), (47) e (48), obtemos,
1 1
2 'A B
R R (49)
e
1
.2 '
A BR
(50)
Das equações 49 e 50, tiramos
1 1
2 2 'A
R R (51)
1
.2
BR
(52)
A seguir vamos usar as equações 31-34. Para determinarmos da equação
(31) para uma dada força F e um dado módulo de Young efetivo ,efY precisamos
determinar os valores de a ( semi-eixo de elipse que constitui a área de contato ) e e
117
(excentricidade da elipse). Por outro lado, conhecemos A e ,B que dependem
apenas dos raios de curvatura, que são dados pelas equações (51) e (52).
Dividindo a equação (32) pela equação (33), encontramos:
/2 2
1/22 2
0
/2 2
3/22 2
0
sen
1 sen.
sen
1 sen
d
eA
B d
e
(53)
Como conhecemos a razão /A B em função dos raios da esfera do cilindro,
determinamos autoconsistentemente o correspondente valor da excentricidade e . A
partir do valor conhecido de ,e da equação (32) obtemos o valor de a . Com os
valores de e e a conhecidos, determinamos o valor de a partir da equação (31).
Para realizarmos os cálculos autoconsistentemente, devemos elaborar um programa
computacional. Para prosseguir, vamos definir:
/2
1 1/22 2
0 1 sen
dG
e
(54)
e
2/2
2 1/22 2
0
sen.
1 sen
dG
e
(55)
Em termos de 1G e 2G as equações (31) e (32) ficam:
1
2
ef
FG
aY
(56)
3
2
2.
ef
FAa G
Y (57)
Da equação (57), tiramos:
1/3
2
2.
ef
Fa G
AY
118
Como
1 1 1 1
,2 2 ' 2 r
AR R R
onde
1 1 1
,'rR R R
(58)
então,
1/3
2
4.r
ef
FRa G
Y
(59)
Substituindo (59) em (56), vem
3
2/31
2 2
2
2
r ef
GF
R G Y
(60)
e
1/2
3/22
3
1
.2
ref
R GF Y
G
(61)
Seguindo os mesmos passos para o cálculo de energia potencial no caso de duas
esferas, a energia potencial devido ao contato de uma esfera com a superfície
interna de um cilindro é dada por:
1/2
5/22
3
1
2.
5 2
ref
R GU Y
G
(62)
Da conservação da energia mecânica, tiramos
2/51/2
34/51
max
2
5 2,
4 r ef
Gv
R G Y
(63)
onde é a massa reduzida do par esfera e cilindro.
Da equação 24, a distribuição de pressão ( , )P x y na interface de contato é
119
2 2
2 2
3( , ) 1 ,
2
F x yP x y
ab a b
que é máxima em 0x e 0,y isto é,
3
(0,0) .2
FP
ab (64)
Da equação (34),
21 .b a e
portanto,
2 2
3(0,0) .
2 (1 )
FP
e a
(65)
Substituindo as equações (59), para ,a e (61) para ,F na equação (65),
encontramos, finalmente:
1/2
2 1/2
1 2
3(0,0) .
4(1 ) (2 )
ef
r
YP
e R G G
(66)
Na equação (66), com exceção da deformação , todos os demais
parâmetros são características dos corpos em contato, como a geometria e a
resistência dos mesmos. Portanto, para um dado par de esfera e cilindro, a pressão
no centro da interface de contato, onde ela é máxima, depende exclusivamente da
deformação .
A pressão (0,0)P atingirá o seu máximo max (0,0)P quando for o máximo
max . O valor máximo de é dado em função da velocidade relativa entre a esfera e o
cilindro pela equação (63). Substituindo a equação (63) na equação (66),
concluímos, finalmente, que a pressão máxima no centro da região de contato
interno entre a esfera e o cilindro, é:
1/54
2
max 2 3 3
1 2
3 5(0,0) .
4(1 ) 16
ef
r
YP v
e G G R
(67)
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